3D-печать: технологии, оборудование и материалы

В предыдущей статье [1] мы рассказали о технологии вакуумного литья, применяемой для тиражирования малыми сериями мастер-прототипов пластмассовых изделий (в том числе корпусов электронной аппаратуры).

Но для того, чтобы что-то размножить, необходимо, чтобы было что размножать. Таким образом, возникает вопрос о способе изготовления самой мастер-модели, с которой мы впоследствии тем или иным способом снимаем копии. До последнего времени это был один из самых сложных, трудоемких и предполагающих наличие особой квалификации этапов разработки серийного изделия. Превращение куска пластмассы (металла, дерева, пластилина) в точный образ будущего изделия было задачей, требующей для своего решения скульптора недюжинных талантов или как минимум лекальщика шестого разряда.

Ситуация начала меняться с появлением компактных станков с числовым програм-мным управлением (ЧПУ), подключаемых к компьютеру в качестве исполнительного устройства к системам автоматизированного проектирования. Стало возможным превратить чертеж в реальный объект, переведя в стружку несколько килограммов алюминия, зато миновав этап размещения заявки в цехе опытного производства и ожидания результата для следующей итерации. Однако технология изготовления фрезерованием из массива накладывает большие ограничения на конструкцию прототипируемого изделия. Исключаются варианты с внутренними полостями, с прямыми углами без закруглений и т. п. — все это приходится выполнять разбиением модели (или конструкции) на части и ручной доработкой с участием все того же слесаря-лекальщика. Кроме того, это просто недешево, если учесть количество изводимого ценного материала и фрез, переломанных в процессе изготовления образца.

Революционные изменения в данной области произошли с изобретением технологий так называемой трехмерной (далее 3D) печати. Это оказалось идеальным решением для выполнения концептов и прототипирования серийных изделий. Технологии 3D-печати универсальны, они позволяют получать прототипы сложных геометрий из различных материалов. Программное обеспечение, управляющее трехмерными принтерами, принимает все основные форматы файлов трехмерных софт-моделей, создаваемых с помощью разнообразных программных средств для трехмерного моделирования.

Первая такая система возникла лет тридцать назад, но только в последние годы появился реальный, подкрепленный коммерческим спросом интерес к технологии, поскольку она стала более доступной, а стоимость самих 3D-принтеров снизилась до уровня, допускающего коммерческую окупаемость в разумные сроки за счет сокращения издержек на прототипирование новых образцов продукции.

В настоящее время количество технологий объемной печати перевалило за десяток, но не все они одинаково хороши именно для прототипирования корпусов РЭА. Поэтому рассмотрим только некоторые из них, подходящие для нашей специфики производства.

Стереолитография (StereoLithography Apparatus, SLA)

Начнем с технологии стереолитографии, которая исторически была самой первой. В основе этой технологии лежит достаточно простая идея. Существуют полимерные смеси, почти мгновенно отверждающиеся под действием светового излучения определенной интенсивности. Фокусируя световой луч в конкретной точке внутри емкости со смесью, можно вызвать отверждение смеси в малом объеме вокруг этой точки. Перемещая точку фокусирования, можно из имеющихся объемов слепить практически любую предварительно заданную форму.

Несмотря на простоту описания, реализовать такую схему не слишком просто. Первые образцы подобных систем появились лет двадцать назад и были весьма дороги, а результат их работы оставлял желать много лучшего в смысле внешнего вида и предсказуемости механических характеристик получаемых изделий. В достаточно массовом порядке применение данной технологии стало возможным лишь сейчас, с широким распространением дешевых и компактных лазерных головок и скоростных прецизионных систем сканирования с программным управлением.

Материал, использующийся в подобных установках, — жидкие фотоотверждаемые полимерные композиты, смешанные со специальным реагентом-отвердителем. Подобная смесь напоминает всем известную эпоксидную смолу. В обычном состоянии она остается жидкой, а отверждение осуществляется под действием лазерного излучения. Рост объекта происходит послойно. Емкость со смесью находится на платформе, способной перемещаться по вертикали. Луч лазера фокусируется на уровне заданной глубины в толще смеси. Управляемая компьютером лазерная головка сканирует фигуру горизонтального сечения объекта на заданном уровне в соответствии с заложенной в программу 3D-моделью и таким образом отверждает слой толщиной от 0,05 до 0,15 мм. Далее емкость со смесью опускается на толщину слоя, лазер «рисует» еще одно сечение, и так повторяется до тех пор, пока в сосуде со смесью не вырастет готовый трехмерный объект. Схема работы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Процесс создания трехмерной модели методом SLA

Описанная технология имеет свои недостатки (подробнее — в таблице 1). Во‑первых, противоречивы требования к материалам: чем гуще смесь, тем быстрее она полимеризуется и тем прочнее получается в объеме, но тем и хуже качество поверхности. Стандартного способа разрешения этого противоречия пока не придумано, для обеспечения приемлемого качества поверхности каждый принтер комплектуется специальным устройством, которое у каждого производителя свое. Во‑вторых, полное отверждение слоя требует много времени, и для увеличения производительности процесс полимеризации при печати до конца не доводят, удовлетворяясь достижением минимально необходимой прочности. Далее полуфабрикат доводят до полной кондиции в специальной камере. Кроме того, процесс медленный — для выращивания крупного образца может потребоваться несколько часов и даже суток. Изделие, изготовленное на SLA-принтере, показано на рис. 2.

Рис. 2. Деталь, созданная по технологии SLA

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Эта технология появилась примерно тогда же, что и SLA, и реализует похожий принцип работы, только вместо жидкого полимера здесь используется порошок. Основой процесса является послойное спекание (наплавление) порошка. Лазер спекает (сплавляет) частицы порошка в пределах фигуры сечения модели на определенном уровне в тонком приповерхностном слое заполненного материалом пространства. После этого стол рабочей зоны опускается на высоту одного слоя, в рабочую зону досыпают порошкообразый материал и специальным устройством разравнивают его, обеспечивая минимальную толщину слоя (0,01–0,15 мм). Схема технологии представлена на рис. 3. Весь процесс происходит при температуре, близкой к температуре плавления частиц используемого порошка.

Рис. 3. Процесс создания трехмерного объекта по технологии SLS

Выбор материалов для технологии широк. Это и пластик в виде порошка, и металл, а также керамика, стекло, нейлон. И все это можно комбинировать.

Частицы материала имеют диаметр 50–100 мкм. Неиспользованные частицы материала остаются в процессе работы вокруг растущего изделия, что обеспечивает его механическую поддержку и устраняет необходимость устройства поддерживающих изделие элементов. Правда, впоследствии эти остатки придется удалить с изделия, а возможно, даже из камеры, если следующая модель будет изготавливаться из другого материала (пример детали, изготовленной по технологии SLS, приведен на рис. 4).

Рис. 4. Деталь, созданная по технологии SLS

В большинстве случаев полученный объект будет нуждаться в финишной обработке, термической или механической. Технические характеристики, достоинства и недостатки данной технологии представлены в таблице 2.

Технология SLS имеет несколько разновидностей, работающих по такому же принципу:

• Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) — для работы с порошкообразными металлами без полимерных примесей.
• Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) — вместо лазера используется пучок электронов в вакуумной камере, что позволяет работать с такими материалами, как титан, алюминиды и нитинолы.

Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM)

Процесс построения объекта по технологии MJM отдаленно напоминает обычную струйную печать. Рабочим инструментом является блок сопел, перемещаемый в горизонтальной плоскости. Материал подается в блок в разогретом и доведенном до текучего состояния виде и впрыскивается в рабочую зону из множества отверстий. Перемещаясь с помощью прецизионных программно управляемых приводов, сопло сканирует фигуру сечения объекта на определенном уровне. После нанесения слоя материал застывает, а рабочий стол с объектом опускают на расстояние одного слоя, и так до полной готовности изделия (схема представлена на рис. 5).

Рис. 5. Процесс создания трехмерной модели по технологии MJM

Рабочими материалами для MJM-принте-ров являются фотополимеры, пластмассы, специальные воски и т. д. Технологические возможности позволяют использовать несколько материалов одновременно, не перемешивая их. Можно изготовлять объект из одного материала, а вспомогательные технологические поддерживающие вставки — из другого. Это впоследствии облегчит их разделение. Деталь, напечатанная на таком принтере, показана на рис. 6.

Рис. 6. Деталь, созданная по технологии MJM

Более подробно технологические возможности MJM-моделирования и ограничения технологии представлены в таблице 3.

Послойное наплавление (Fusing Deposition Modeling, FDM)

Это самая распространенная на сегодня технология. Как и в любом другом процессе трехмерной печати, в FDM реализуется послойное выращивание объекта. Фактически это несколько «загрубленная» разновидность только что описанной технологии MJM, отличающаяся от нее способом подачи материала в рабочий орган. Рабочим органом в данном случае является экструдер, который может перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью программно управляемых приводов. Экструдер состоит из нагревающего элемента для плавки подаваемого материала, механического привода для подачи материала и сопла. Материал в FDM-технологии представляет собой пластиковую нить. Нить подается в сопло, доведенное до нужной температуры с помощью нагревателя, там нить плавится, и расплавленный пластик выдавливается на выращиваемую модель в нужном месте (рис. 7).

Рис. 7. Процесс создания трехмерной модели методом FDM

Материалами в этом процессе могут выступать разнообразные пластики (ABS, PLA, PVA) и некоторые металлы с низкой температурой плавления.

Эта наиболее доступная по стоимости технология имеет один серьезный недостаток — низкое разрешение печати (слоистость поверхности можно увидеть невооруженным глазом). В результате требуется финишная доработка изделия, как правило вручную. Изделеие, напечатанное таким способом, изображено на рис. 8.

Рис. 8. Деталь, созданная по технологии FDM

Технические характеристики технологии FDM представлены в таблице 4.

Почему же при таком обилии проблем данный метод занимает большую часть рынка?

Ответ прост: цена. Как само оборудование, так и материалы для процесса весьма недороги. Пока это единственная технология, которая может быть реализована в оборудовании, доступном по цене частным лицам.
Чем и пользуются многочисленные фирмы-производители. Самые дешевые устройства,
реализующие подобную технологию, вообще не требуют компьютера — это знаменитые 3D-ручки, и хотя последние скорее игрушки, для грубого первоначального макетирования изделия такие штуки вполне пригодны. Во всяком случае, по сравнению с вариантом использования пластилина и шпателей орудовать 3D-ручкой удобнее, и получаемый объект гораздо более пригоден для опытов. Необходимо упомянуть также проект RepRap (REPlicating RApid Prototyper — самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования). В рамках проекта предлагается на уже имеющемся принтере напечатать большую часть деталей для сборки такого же устройства, остальное придется докупить, но уже за гораздо меньшие деньги, чем стоимость нового. Пока это экзотика, но грозящая полностью перевернуть представления о материальном производстве и вообще о мире вещей в течение ближайшего десятка лет. Поживем — увидим…

Несколько слов в заключение

В заключение можно сказать, что 3D-прин-теры — изобретение не новое, но дождавшееся своего времени. Из дорогостоящей научно-технической экзотики они постепенно превращаются в обычный доступный всем производственный инструмент, и появление еще более бюджетных моделей не за горами, работы в этом направлении активно ведутся. Впрочем, подобная судьба была и у обычных принтеров, лазерных и струйных.

Область применения 3D-принтеров также расширяется, они находят применение в самых неожиданных областях — медицине, строительстве и даже пищевой промышленности. Можно смело предположить, что в недалеком будущем они потеснят традиционные технологии, позволяя делать совершенно уникальные и недорогие вещи, как на производстве, так и в быту. И уж во всяком случае эти технологии совершенно изменят процесс разработки электронных приборов, фактически снимая экономические ограничения и предоставляя фантазии дизайнера безграничный простор. Однако и старые добрые методы обработки материалов списывать со счетов не стоит. Как быстро ни развиваются новые идеи, до момента, когда стоимость получаемых 3D-печатью изделий сравняется со стоимостью экземпляра в традиционных методах массового производства, еще очень и очень далеко. Хотя кто знает…