Что такое 3D-печать

3D-печать (или аддитивное производство) – это процесс создания твердых трехмерных объектов на основе цифровой модели. Изготовление объектов с помощью 3D-печати осуществляется с использованием аддитивных технологий. Иными словами, процесс производства заключается в последовательном наложении друг на друга слоев материала, пока не будет получен требуемый предмет. Каждый из слоев, в свою очередь, можно рассматривать как тончайший горизонтальный срез конечного объекта.

Как работает 3D-печать

Первая стадия производства – создание виртуальной модели требуемого объекта. Специальные цифровые модели содержатся в файлах формата CAD (Computer Aided Design, система автоматизированного проектирования). Такие файлы можно создать в программах для 3D-моделирования, если необходимо создать оригинальный объект с нуля, или с помощью 3D-сканера, если требуется скопировать существующий объект. 3D-сканер позволяет получить цифровую трехмерную копию объекта и загружает ее в программу для 3D-моделирования.

Чтобы подготовить к печати цифровой проект, специальная программа разделяет полученную модель на сотни или тысячи горизонтальных слоев. После этого готовый файл передается 3D-принтеру, который создает объект последовательно, слой за слоем. 3D-принтер считывает проект каждого слоя (то есть двухмерные изображения) и производит объект, накладывая слои один на другой без каких-либо видимых признаков расслоения. Результатом этого процесса становится цельный трехмерный объект.

Основные методы и технологии 3D-печати

Не все 3D-принтеры работают на основе одних и тех же технологий. На сегодняшний день есть несколько способов, но все они основаны на принципе аддитивного производства и отличаются только тем, каким образом сочетаются слои для изготовления конечного объекта. В некоторых методах для создания слоев материал плавится или размягчается. Селективное лазерное спекание (SLS, Selective laser sintering) и моделирование методом наплавления (FDM, Fused deposition modeling) – наиболее известные технологии такого рода. Другой способ 3D-печати подразумевает использование жидкого материала, который впоследствии отверждается различными способами. Наиболее широко распространенная из подобных технологий – стереолитография (SLA, Stereolitography).

Селективное лазерное спекание (SLS)

Принцип этой технологии заключается в использовании мощного лазера для сплавления мелких частиц порошкообразных материалов (пластика, металла, керамики или стекла) в единую массу в форме необходимого трехмерного объекта. С помощью лазера порошок выборочно спекается на поверхности рабочей платформы, в соответствии со слоями, спроектированными в программе для 3D-моделирования. После завершения одного слоя платформа опускается на один уровень, на нее снова наносится материал, и лазер приступает к спеканию следующего слоя – до тех пор, пока требуемый объект не будет завершен.

Материал, который не был сплавлен лазером, остается в порошкообразном состоянии и служит для поддержания готового объекта. Таким образом, одним из преимуществ метода SLS является отсутствие необходимости отдельно разрабатывать поддерживающие конструкции. Порошок, который не был использован в процессе производства, может быть сохранен для изготовления следующего предмета. Метод SLS был разработан и запатентован доктором Карлом Декардом в Техасском университете в середине 80-х годов, при финансовой поддержке Управления оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США.

Моделирование методом наплавления (FDM)

В основе технологии FDM лежит использование пластиковой или металлической нити, которая подается из катушки через экструдер, способный запускать и останавливать процесс подачи материала. Выпускная насадка нагревается и расплавляет нить, а также может перемещаться как по горизонтали, так и по вертикали, с помощью числового механизма управления. Контроль осуществляется через специальные программы автоматизированного производства. Таким образом, объект создается путем формирования слоев из расплавленного материала, который подается на рабочую платформу и там сразу же застывает.

Технологию FDM изобрел Скотт Крамп в конце 80-х годов. После того, как Крамп запатентовал свою разработку, в 1988 году он основал компанию Stratasys. Программное обеспечение, которое поставляется с устройствами на основе FDM, автоматически создает поддерживающие конструкции там, где это необходимо. В процессе производства устройство подает два типа материала: один для самой модели, а другой – для временных поддерживающих конструкций, которые впоследствии удаляются.

Сам термин «моделирование методом наплавления» и аббревиатура FDM – это зарегистрированные торговые марки компании Stratasys. Участниками проекта RepRap был создан эквивалентный термин «производство методом наплавления нитей» (FFF, Fused filament fabrication), который может быть использован беспрепятственно с юридической точки зрения.

Стереолитография (SLA)

SLA является основной технологией, которая позволяет с помощью фотополимеризации создать твердый объект из жидкого материала. В этом методе применяется жидкая фотополимерная смола, которая отвердевает за счет облучения ультрафиолетовым лазером. Необходимый предмет изготавливается слой за слоем, и каждый раз лазером облучается контур макета на поверхности жидкой смолы, соответствующий цифровой модели. Таким образом, фотополимерная смола отвердевает и соединяется с предыдущим слоем.

После того, как очерчены контуры модели, рабочая платформа устройства опускается на толщину одного слоя, которая обычно составляет от 0,05 до 0,15 мм. Срез объекта снова покрывается материалом, после чего лазер вычерчивает контур следующего слоя, соединяя его с предыдущим. В ходе этого процесса создается цельный трехмерный объект. Метод SLA подразумевает использование поддерживающих элементов для соединения предмета с рабочей платформой.

Эта технология была разработана в 1986 году Чарльзом Халлом, который тогда же создал компанию 3D Systems.