Промышленный 3D-принтер внешне похож на большое МФУ

Модель вместо снимка: объемные модели органов помогают поставить диагноз

3D распечатка

« »

В фантастических рассказах еще с середины прошлого века встречаются описания устройств, способных создать точную — до атома — копию любого предмета. Сказка, конечно, ложь, но... будем помнить, что очень и очень многие устройства и изобретения, когда-то описанные в фантастических романах, уже существуют в действительности — в том или ином виде.

Похожая история произошла и с 3D-принтерами — устройствами, способными «печатать» объемные предметы на основе трехмерной компьютерной модели — причем довольно сложные, с внутренними полостями или из соединенных движущихся частей.

Из жидкого — твердое

Одна из первых технологий «трехмерной печати», стереолитография, появилась еще в 1986 году. Ее принцип заключается в следующем. В рабочей области принтера находится контейнер с жидким фотополимером — веществом, способным затвердевать под действием света (из подобного материала изготавливаются стоматологические пломбы). Затвердевая, такой фотополимер превращается в достаточно прочный пластик. Для засветки полимера используется точно позиционируемый ультрафиолетовый лазер или лампа.

Создаваемый объект условно делится на плоскости: луч сканирует такую плоскость и формирует на ней отдельные твердые «точки». Затем рабочий стол со сформированной на нем частью модели опускается (а уровень фотополимера повышается), луч рисует следующий слой. Существует и более скоростной вариант, когда засвечивается сразу вся плоскость через специальный фотошаблон (Solid Ground Curing, SGC). Однако для этого перед печатью необходимо изготовить серию плоских фотошаблонов — по одному для каждого слоя.

Стереолитография позволяет получать «отпечатки» с точностью до десятых долей миллиметра и обеспечивает гладкую поверхность получаемых изделий. Однако установки и жидкие фотополимерные материалы весьма дороги — для сравнения вспомните хотя бы, во сколько вам обошлась последняя пломба.

Лазерная печка

В другой технологии, называемой избирательным лазерным спеканием (Selective Laser Sintering, SLS), вместо фотополимера используется порошок легкоплавкого пластика. Пластик нагревается почти до температуры плавления (чтобы он не загорелся и не стал окисляться, в рабочую зону подается азот), а затем обрабатывается мощным лазером по тому же принципу, что и в стереолитографии. Когда слой обработан, сверху насыпается следующий слой порошка, и процедура повторяется. В конце оставшийся порошок просто стряхивается с готовой модели.

Лазерное спекание тоже обеспечивает достаточно высокое качество деталей, но поверхность у них получается пористой. Зато изделия получаются очень прочными, поэтому SLS-технологию даже применяют для малосерийного производства. К тому же лазерное спекание позволяет изготовлять модели с подвижными частями — например, с работающими петлевыми соединениями или нажимающимися кнопками.

Наконец, для SLS-процесса разработаны специальные материалы, позволяющие напрямую изготавливать металлические детали: в качестве порошка используются микрочастицы стали, покрытые сверху слоем связующего пластика. Пластик спекается, как обычно, а затем деталь обжигается в печи. Пластик выгорает, а освободившиеся поры заполняются бронзой. В результате получается объект, состоящий на 60% из стали и на остальные 40% и бронзы. По механическим характеристикам он превосходит алюминий и приближается к классической нержавеющей стали. Есть и аналогичный материал с керамической или стеклянной сердцевиной. Правда, установка для SLS-печати весьма сложная и дорогая, а скорость производства составляет всего несколько сантиметров (высоты) в час, плюс еще несколько часов на нагрев и остывание.

3D-ламинирование

В отличие от предыдущих двух технологий, в данном случае рабочим материалом служит не жидкость и не порошок, а тонкие листы твердого материала. Эти листы последовательно загружаются в «принтер», где из них лазером вырезаются слои будущей модели, которые затем склеиваются. Первоначально использовалась специальная бумага со слоем клеящего вещества, затем появились устройства, способные нарезать и склеивать тонкий пластик, керамику и даже металлическую фольгу.

Объемная струйная печать

Не всякий 3D-принтер — лазерный. Среди устройств этого типа есть и струйные. Например, одна из технологий струйной объемной печати, послойная заливка экструдируемым расплавом (Fused Deposition Modeling, FDM), заключается в том, что раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются, формируя слои будущего объекта.

Подобно лазерным технологиям, здесь также существуют варианты с использованием фотополимерного пластика, а также порошковых материалов. В последнем случае головка струйного принтера послойно набрызгивает на порошок (обычный гипс или крахмал) клеящее вещество. При этом в клеящую жидкость возможно добавление пигментных красителей, что позволяет печатать не только объемные, но и цветные модели. В одном из вариантов этой технологии, Direct Metal Process, вместо гипсового порошка применятся металлический, после чего «склеенное» изделие обжигается в печи.

Применение и перспективы

3D-печать уже широко используется для создания моделей при разработке и серийном производстве различных устройств. Действительно, удобнее «напечатать» модель сложной формы на 3D-принтере, чем изготовить ее на обычном станке (а чаще — на нескольких). Такой процесс получил название «быстрого прототипирования» (rapid prototyping). В мелкосерийном производстве такие «отпечатанные» детали, особенно металлические, часто используются как готовые узлы и изделия.

Однако этим возможности 3D-печати не исчерпываются. Уже ведутся работы по «печати» целых устройств с электронной начинкой — полупроводниковых устройств и соединяющих их проводов. Есть также идеи применения объемной печати в медицине — «печать» своеобразных заготовок биологических органов, где роль чернил играют сгустки клеток заданного типа, а бумаги — специальный био-гель, который фиксирует положение клеточных сгустков. В результате получается объемная конструкция из клеток, которая, теоретически, может имитировать любой орган (после вырастания клеток гель растворяется, так что возможно получение полых структур).

Есть разработки 3D-принтеров, предназначенные для домашних умельцев — так, на сайте http://reprap.org/bin/view/Main/WebHome приводится описание такого устройства, распространяемое по принципу «open source». Когда в следующий раз будете читать фантастический роман, не спешите заносить описанные там изобретения в разряд несуществующих — вполне вероятно, что нечто весьма похожее уже существует!