Королев И.Н. СЕКЦИЯ "Промышленный дизайн"

[Королева С.В.]

УДК 67.01 УДК 616-77
Королев И.Н. (Россия, г. Тула, Тульский государственный университет)

ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ В 3D-ПЕЧАТИ

Проведен анализ современных технологий и материалов, используемых в 3D-печати.

Разработано множество технологий 3D-печати, тем не менее, постоянно создаются новые или модифицируются уже известные.
Стереолитография (StereoLithography Apparatus, SLA). Первичным продуктом является жидкий фотополимер с добавкой специального реагента-отвердителя. Данная смесь напоминает эпоксидную смолу, обычно остается жидком состоянии, а полимеризуется и твердеет под действием ультрафиолетового лазера.
Лазер не способен мгновенно изготовить целую модель в толще полимера, возможно только последовательное построение модели тонкими слоями. Для этого применяется подвижная подложка с отверстиями, погружаемая в фотополимер на толщину одного слоя при помощи микролифта-элеватора, далее лазерный луч засвечивает области необходимого отверждения, подложка опускается на толщину нового слоя, лазер поджигает новый слой.
Достоинства технологии: очень высокое разрешение печати, достижение высокой точности при производстве моделей, которая, как правило, составляет 100 мкм, а в наиболее совершенных аппаратах до 25–50 мкм. Механическая прочность изготовляемых объектов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100 °С. К преимуществам можно отнести и легкость завершающего этапа обработки, если требуется.
Недостатки: существуют ограничения выбора материалов для изготовления моделей; малая скорость печати - максимально 10–20 миллиметров в час по вертикали.
Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS). Данный метод возник приблизительно в то же время, что и SLA, и очень схож с ним, только применяется порошок с диаметром частиц 50–100 мкм, тонкими ровными слоями размещаемый в горизонтальной плоскости. Далее лазерный луч поджигает участки, которые фиксируют форму модели.
Материалы для печати: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошковая смесь насыпается и распределяется по плоскости рабочего стола специальным валом, который, возвращаясь в исходное положение, удаляет излишки порошка. Мощный лазерный луч спекает частицы вместе с предыдущим слоем, далее стол опускается на величину следующего слоя.
Часто применяется финишная обработка — шлифовка, так как поверхность может оказаться шероховатой или с видимой слоистостью. Применяемый материал может использоваться не только в чистом виде, но и в смеси с полимерным веществом, либо как частицы, покрытые полимером. Остатки удаляются термическим путём в специальной печи. В металлах пустоты автоматически заполняются бронзой.
Процесс спекания протекает в азотной среде с малым содержанием кислорода. Это позволяет избежать процесса окисления.
Серийно выпускаемые установки SLS выдают достаточно большие формы, до 55×55×75 см.
Разновидности технологии:
- селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) позволяет работать с чистыми материалами без примеси и создавать модель на первом этапе;
- электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) - вместо лазера используется электронный луч в вакуумной камере, что даёт возможность применять такие металлы, как титан.
Достоинства: большой выбор материалов; возможность создания очень сложных моделей; средняя скорость гораздо больше, чем у SLA (может доходить до 30–40 мм в час по вертикали); позволяет создавать серии моделей и даже ювелирные изделия.
Недостатки: для правильной работы нужно постоянное напряжение, чтобы разогреть мощный лазер; герметичная камера большого размера с малым содержанием кислорода; требуется долгий подготовительный процесс для разогрева порошка, далее необходимо ожидать охлаждения полученного образца для удаления остатков порошка; требуется финишная подготовка.
Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM). Процесс похож на струйную печать: материал направляется через сопла, расположенные в несколько рядов на печатающей головке. Количество может варьироваться от одной до нескольких сотен. Материал не является жидким: первоначально он достигает температуру плавления (обычно невысокую), далее подается в головку, наплавляется послойно и застывает. Формирование слоёв происходит путём перемещения головки в горизонтальном направлении, а вертикальное смещение происходит путём перемещения рабочего стола.
Основными материалами являются пластик, фотополимеры, специальный воск, в том числе материалы для медицинских имплантов, зубных слепков и протезов. Применяется и комбинация различных материалов: в отличие от технологий спекания для отсутствия провисаний выдающиеся под большим углом элементы моделей или горизонтальные перемычки нуждаются в использовании поддерживающих конструкций, которые при финишной обработке удаляются.
Применение фотополимера, как и в стереолитографии, требует отверждения путём использования ультрафиолетовых лучей, для этого напечатанный слой засвечивается УФ-лампой. Воск же застывает при естественной температуре. Модели, созданные из воска, не отличаются особой прочностью.
Такой метод позволяет использовать пластики разных цветов и разные по плотности в одной модели одновременно.
Достоинства: достичь можно очень малую толщину слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi). Возможно сочетание разных цветов и материалов; принтеры имеют компактные размеры и малую форму.
Недостатки: для моделей с висящими или горизонтально выдающимися элементами необходимо создавать дополнительную поддержку; небольшой выбор материалов для работы.
3D Printing (3DP, 3D-печать). Так же как и в SLS, базой для будущего объекта является порошок , который склеивается связующим веществом.
Для создания текущего слоя модели по всей площади рабочего стола валиком наносится порошок печатающей головкой, похожей на струйную. По нужной форме модели вводится жидкий клей. После этого стол с уже выполненными слоями опускается и процесс повторяется до завершающего этапа моделирования, а по окончании включается нагрев для ускорения схватывания клеящего вещества. Далее лишний порошок удаляется автоматически, возвращаясь в ёмкость для дальнейшей работы, а из труднодоступных мест — струей воздуха или кистью.
В моделях получаются полости — пустоты между частицами порошка, а поверхность выходит неровной. Для придания требуемых качеств необходима обработка составом-закрепителем. Вместо него может быть использован раствор английской соли, воск, парафин, цианокрилаты и эпоксидная смола; некоторые наносятся методом погружения или опрыскивания вручную или механическим путём .
Достоинства: возможность создания очень сложных моделей без поддерживающих структур; выполнение полноцветной печати с высоким разрешением.
Недостатки: малое количество материалов; часто необходима финишная обработка; недостаточная прочность даже после обработке закрепляющим материалом.
Самой распространенной технологией на данный момент времени является послойное наплавление.
Послойное наплавление (Fusing Deposition Modeling, FDM). Для создания слоя модели термопластичный материал нагревается в печатающей головке до тягучего состояния и выдавливается через сопло с отверстием малого диаметра, оседая на плоскости рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка, перемещаясь в горизонтальной плоскости, шаг за шагом «рисует» необходимый контурный слой, затем совершается вертикальное перемещение на толщину слоя, и процесс повторяется, пока модель до конца не построится.
Расходный материал для моделирования — пластики, однако, есть модели, допускающие работу с иными материалами — оловом, сплавами металлов с невысокой температурой плавления и даже шоколадом.
Недостатки: невысокая скорость печати; небольшая плоскость моделирования как по горизонтали, так и по вертикали; трудность фиксации модели на рабочем столе; создание поддерживающих структур; необходимость финишной обработки вручную; прочность обусловлена направлением приложенного усилия; а также термоусадка модели.
Достоинства: большим шагом является появление проекта RepRap, или Replicating Rapid Prototyper — самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования. Самовоспроизведение относится к изготовлению на готовом принтере элементов для другого подобного принтера. Это не являлось самоцелью проекта: основной задачей было производство моделей принтеров с максимально низкой стоимостью, доступных даже частным энтузиастам, желающим попробовать себя в 3D-печати.
Изготавливаемые таким способом принтеры не совершены даже в рамках технологии FDM, но они дают возможность с минимальными затратами печатать вполне работоспособную модель.
Важным достоинством разработки проекта RepRap является доступность распространения программ обработки 3D-моделей.
Материал используют стандартных диаметров: 1,75 и 3 мм. Они не заменяют друг друга, и выбор необходимого диаметра нужно уточнять по спецификации принтера и установленному в нем соплу. Катушка с пластиком измеряется не длиной, а весом. Для FDM нужно покупать не катушки, а определенный картридж с нитью.
Для каждого типа материала следует предусмотреть свою рабочую температуру, до которой нагревается материал в печатающей головке, а также температуру подогрева рабочего стола. Данные величины не являются одинаковыми для образцов нити, выполненной из материала одного типа; оптимальные температуры указываются на этикетке катушки или в документации. Однако это бывает не всегда, часто их нужно подбирать путем проб печати.
Расходные материалы к FDM-принтерам. Основными материалами являются пластики ABS и PLA.
ABS (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) — это ударопрочная техническая термопластическая смола на базе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Материалом для его изготовления является нефть. Данный пластик непрозрачный, легко окрашивается в разные цвета. Материал имеет большой диапазон температур: от −40 °С до +90 °С, у некоторых марок до 103–113 °С.
Недостатки: несовместимость с пищевыми продуктами, неустойчивость к ультрафиолетовому излучению, меньшая прочность, чем у PLA. Рабочая температура выше, чем у PLA, и находится в диапазоне 210–270 °С. При работе с ABS присутствует слабый запах. Чтобы первый слой модели прилипал лучше, температура стола должна быть 100-120°С.
PLA (полилактид, ПЛА) — биоразлагаемый, биосовместимый полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Материалом для изготовления являются возобновляемые ресурсы — такие как, кукуруза или сахарный тростник, благодаря чему материал нетоксичный и может быть применен для изготовления экологически чистой упаковки и одноразовой посуды, а также в медицине и в средствах личной гигиены.
Достоинства: небольшой коэффициент трения, что дает возможность использования для производства подшипников скольжения, практически не обладает термоусадкой, особенно в сравнении с ABS, более твёрдый и вязкий, чем ABS: при одном и том же воздействии скорее согнется, чем сломается.
Рабочая температура ниже, чем у ABS: около 180–190 °С. Подогрев рабочего стола не обязателен, тем не менее, желательно нагревать стол до 50–60 °С.
Недостатки: меньшая, чем у ABS, долговечность. Гигроскопичен, при хранении необходимо соблюдать режим влажности.
Остальные материалы для FDM-печати менее распространены.
HIPS (High-impact Polystyrene, ударопрочный полистирол) — материал непрозрачный, жесткий, твердый, стойкий к ударным воздействиям, к морозу и перепадам температур. Растворяется в лимонене (натуральном растворителе, получаемом из цитрусовых).
Нейлон — легкий, гибкий, устойчивый к химическому воздействию. Элементы из него обладают невысоким поверхностным трением.
PC (Polycarbonate, поликарбонат) — является твёрдый полимером, удерживающий свои свойства в диапазоне температур от −40 °С до 120 °С. Зачастую применяется как заменитель стекла. Так как имеет небольшую удельную массу и более высокий коэффициент преломления, то хорошо применим для изготовления линз. Полная биологическая инертность дает возможность изготавливать из него даже контактные линзы. Помимо этого, из него делают компакт-диски.
PETT (Polyethylene terephthalate, полиэтилентерефталат). Модели создаются довольно прочными, так как слои расплавленного материала плотно склеиваются.
PVA (ПВА) имеет два типа: поливинилацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) и поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). Данные вещества похожи по химическому составу, и их свойства схожи по многим параметрам, однако в поливиниловом спирте отсутствуют ацетатные группы.
Поливинилацетат PVAc является составляющей частью клея ПВА, представляющей из себя водную эмульсию данного вещества.
Laywoo-D3. Изделия из него по фактуре схожи с деревом и даже пахнут, как деревянные. Создаются из деревянных частиц и связующего полимера. Рабочие температуры находятся в диапазоне 175–250 °С, подогрев стола не требуется. Изменяя температуру в процессе печати, возможно получить эффект, похожий на годовые кольца, как на натуральном дереве.
Выбор материала для печати прежде всего зависит от модели и её свойств. Первоначально нужно определить, в какой среде будет эксплуатироваться, какое распределение нагрузок испытывает, на какой ресурс рассчитан экземпляр продукции.