Трехмерная печать является одной из самых перспективных инноваций, используемых в современных технологиях проектирования и мелкосерийном производстве. 3D-принтер – это устройство, которое создаёт объёмный предмет на основе виртуальной 3D-модели. В отличие от обычного принтера, который выводит информацию на лист бумаги, 3D-принтер позволяет выводить трёхмерную информацию, т. е. создавать определённые физические объекты. В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдой модели [1] .

Все 3D-принтеры используют один и тот же базовый принцип – построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала. Печатающая головка формирует слои, постепенно выращивая из них объект. Она движется только в горизонтальной плоскости. Рабочая платформа служит для размещения объекта при печати, она двигается сверху вниз [2].

Все 3D-принтеры делятся на 2 группы: те, использующие в своем производстве выдавливание или распыление, и те, которые что-то спекают или склеивают.

К первой группе относятся:

• FDM (Fused Deposition Modeling)-принтеры которые выдавливают какой-либо материал слой за слоем через сопло-дозатор. К ним относятся кулинарные принтеры, медицинские, которые печатают живыми чернилами. Преимущества: высокая точность исполнения прототипа; высокая скорость 3D-печати; возможность использования широкого спектра полимеров; низкая стоимость 3Dпечати прототипа [3]. Недостатки: ограничения по допускам размерности 3D-печати; необходимость в постобработке.
• Технология PolyJet: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ-излучения. Важной особенностью, отличающей PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами. Применение: промышленное прототипирование и медицина. Преимущества: малая толщина слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi); возможность многоцветной печати и сочетания материалов с разными свойствами; принтеры могут быть достаточно компактными. Недостатки: для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами требуются поддержки, которые приходится тем или иным способом удалять; ограниченный выбор материалов для работы.
• LENS (Laser Engineered Net Shaping): материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера, часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера, мгновенно спекается и слой за слоем формирует трехмерную деталь. С помощью этой технологии печатают стальные и титановые объекты. Преимущества: высокая прочность; высокое разрешение печати; устойчивость к высоким температурам; не требует создания поддержки, так как сам порошок и служит подушкой в процессе изготовления. Недостатки: значительные затраты энергии; дорогие расходные материалы и оборудование; требуется чистая атмосфера в рабочей камере, часто это вакуум или инертные газы.
• LOM (Laminated Object Manufacturing): тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект, т. е. укладывается тонкий лист материала, который вырезается по контуру объекта, на него укладывается следующий лист и т. д. После этого все листы прессуются или спекаются. Таким образом, печатают 3D-модели из бумаги, пластика или из алюминия [4]. Преимущества: возможность полноцветной печати с высоким разрешением по осям X и Y; доступность и относительная дешевизна главного расходного материала – бумаги; можно создавать довольно большие модели; для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами не требуется формирование поддерживающих структур. Недостатки: крайне ограниченный набор материалов для создания моделей; толщина слоя всецело зависит от толщины используемого листового материала, из-за чего модель порой получается грубой, а механическая обработка для сглаживания возможна не всегда, поскольку может привести к расслоению; наличие большого количества отходов; избежать этого можно одновременным изготовлением нескольких небольших образцов; всегда требуется финишная обработка, связанная с удалением лишнего материала [5].

Вторая группа включает в себя:

• SLA (Stereolithography) Стереолитография. Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того, как один слой готов, платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту, далее запекается следующий слой и так далее. После печати таким методом, требуется постобработка объекта – удаление лишнего материала и конструкций, которые позволяют поддерживать напечатанную модель, иногда поверхность шлифуют. Преимущества технологии: высокое разрешение печати; можно получать большие модели, размером до 150×75×55 см и весом до 150 кг; механическая прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100 °С; наличие мелких элементов; малое количество отходов. Недостатки: ограниченный выбор материалов для изготовления моделей; невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле; малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали; очень большие габариты и вес: так, один из SLA-аппаратов 3D SystemsProX 950 весит 2,4 тонны при размерах 2,2×1,6×2,26 м.
• LS (Laser Sintering) Лазерноеспекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером. Преимущества: широкий спектр материалов, пригодных для использования; позволяет создавать очень сложные модели; скорость в среднем достигает 30–40 мм в час по вертикали; может использоваться не только для создания для мелкосерийного производства. Недостатки: требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода; меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение; требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка; в большинстве случаев требуется финишная обработка [6].
.
• 3DP (Three Dimensional Printing). На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. На выходе, как правило, получается материал похожий по свойствам на гипс. Используя похожую технологию можно печатать съедобные объекты, например, из сахара или шоколадного порошка. Преимущества: позволяет создавать очень сложные модели без поддерживающих структур; возможность полноцветной печати с высоким разрешением [7]. Недостатки: ограниченное количество материалов, пригодных для использования; в ряде случаев требуется финишная обработка; малая прочность получившихся образцов даже после обработки закрепляющим составом.

Трудно выделить ту или иную технологию печати, поскольку на выбор влияют множество факторов: материал, денежные средства, размеры печати. Можно сказать лишь одно, что до недавнего времени к 3D-печати относились с недоверием до того момента, пока не стало возможным печать из прочных металлов, таких как сталь и титан. После этого многие разработчики и ученые иначе посмотрели на это устройство [8].

Специалисты уже сегодня с уверенностью говорят о перспективах объёмной печати. Применение 3D-печати находит себя в самых неожиданных сферах человеческой деятельности, что ещё раз подчёркивает значимость этой технологии. На сегодняшний день и оборудование, и материалы для 3D-печати имеют достаточно высокую стоимость, однако его серийное производство позволяет систематически снижать цены, делая доступным приобретение 3D-принтера бюджетными пользователями.

Библиографические ссылки

1. Статьи о 3D-принтерах [Электронный ресурс]. URL: http://3dpr.ru/statyi (дата обращения: 18.03.2015).

2. Классификация 3D-принтеров (7 технологий 3D-печати) [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/208906/ (дата обращения: 18.03.2015).

3. Как работает 3D-принтер: принцип работы трехмерной печати [Электронный ресурс]. URL: http://www.techno-guide.ru/informatsionnye-tekhnologii/3d-tekhnologii/kak-rabotaet-3d-printer-printsipraboty-trekhmernoj-pechati.html (дата обращения: 18.03.2015).

4. 3D-принтер для печати металлических объектов [Электронный ресурс]. URL: http://joy4mind.com/?p=12112#ixzz3WYarfJxJ (дата обращения: 18.03.2015).

5. Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) [Электронный ресурс]. URL: http://3dprofy.ru/izgotovlenie-obektov-metodom-lamin/ (дата обращения: 18.03.2015).

6. 3D-печать для «чайников» или Что такое 3D-принтер? [Электронный ресурс]. URL: http://3dtoday.ru/wiki/..(дата обращения: 18.03.2015).

7. Селективное лазерное спекание (SLS) [Электронный ресурс]. URL: http://3dpr.ru/selektivnoelazernoe-spekanie-sls (дата обращения: 18.03.2015).

8. Что такое 3D-принтер и что можно на нём напечатать? [Электронный ресурс]. URL: http://www.aif.ru/dontknows/file/1379601 (дата обращения: 18.03.2015).