ТЕХНОЛОГИИ: 3D в натуре

Автор: Юрий Ревич

Невозможно назвать ни одну область человеческой деятельности, которую бы не затронул технический прогресс с его ошеломляющими темпами. Причем о революционных преобразованиях, касающихся повседневного быта миллионов людей, мы узнаем фактически в реальном времени - о существовании электронной почты, мобильной связи или цифровой фотографии осведомлен любой человек, даже ни разу в жизни не державший в руках "Компьютерру". Но есть такие сферы деятельности, где изменения гораздо меньше заметны широкой публике, однако их значимость от этого ничуть не меньше. К таким сферам, безусловно, относится 3D-печать.

Нечастые сообщения в СМИ о новых технологиях изготовления трехмерных моделей "вживую", в пластике или металле, своей тональностью обычно лишь свидетельствуют о непонимании журналистским сообществом всей глубины революционных преобразований в этой области. То, что технологии 3D-печати уже перестали быть просто игрушкой для дизайнеров и художников, доказала фирма Lockheed Martin, продемонстрировавшая на аэрошоу в Англии в 2006 году беспилотник-невидимку P-175 Polecat. Львиная доля элементов конструкции этого сверхзвукового аппарата с размахом крыльев 27 метров была изготовлена на 3D-принтерах. Впрочем, большинство современных технологий 3D-печати уходят корнями в конец 1980-х годов.

Первой использовавшейся на практике технологией для автоматического изготовления физических моделей из пластика по компьютерным "чертежам" была стереолитография (SLA), придуманная американским инженером Чарльзом Халлом еще в 1986 году. Халл основал компанию 3D Systems, которая и поныне является одним из главных производителей 3D-принтеров.

Принцип стереолитографии заключается в использовании фотополимера в жидком состоянии, поверхность которого отверждается лучом УФ-лазера в соответствии с рисунком текущего слоя (здесь обычно добавляют, что подобные фотоотверждаемые полимеры издавна применяются дантистами для пломбирования зубов). Рисунок получается послойной "нарезкой" исходной компьютерной 3D-модели с помощью специального софта. После формирования текущего слоя стол с моделью опускается на толщину слоя, а поверхность с помощью специального выравнивателя опять заливается жидким полимером, из которого формируется следующий слой [1]. Готовый образец промывается, дабы удалить остатки полимера, и некоторое время выдерживается под УФ-лампой для окончательного затвердевания.

На SLA-принтерах можно печатать довольно крупные изделия (до 75 сантиметров по максимальному габариту). Такой принтер даже с не очень большим рабочим объемом (например, 250х250х250 мм) представляет собой внушительное устройство величиной со шкаф и весом полтонны. Современные SLA-принтеры имеют самую высокую точность среди своих собратьев (так, аппараты от 3D Systems позволяют выдержать толщину слоя в одну-две тысячные дюйма - 0,025–0,05 мм), в них получаются гладкие и прочные модели с отличной проработкой мелких деталей. Недостатки их - крайняя медлительность (скорость роста образца - несколько миллиметров в час по высоте заготовки), ограниченный ассортимент исходных материалов и дороговизна. Цена таких принтеров обычно не указывается (ибо продаются они поштучно), но, порывшись в Сети, можно узнать, что для модели Viper SLA (не самой дешевой, правда) она начинается от 150 тысяч евро. Видимо, по этой причине SLA-продукты 3D Systems в нашей стране не очень популярны.

Версия SLA-технологии под названием SGC (Solid Ground Curing) работает гораздо быстрее, но и с несколько меньшим разрешением. В первоначальном варианте, разработанном израильской фирмой Cubital еще в 1987 году, процесс напоминал ксерокопирование: на специальном стекле с помощью тонера формируется маска текущего слоя, через которую фотополимер засвечивается уже не лазером, а УФ-лампой сразу по всей поверхности. В современной модификации вместо маски используют DLP-матрицу, как в проекторах изображений. Такой SGC-аппарат (например, Perfactory от немецкой фирмы EnvisionTEC) может иметь скорость печати до 20 мм/час и разрешение по высоте (минимальную толщину слоя) 0,1 мм. Стоит Perfactory (за рубежом) около 55 тысяч евро.

Недостатка, заключающегося в специфичности и дороговизне исходного материала, лишены лазерные 3D-принтеры, использующие технологию спекания (Selective Laser Sintering, SLS). Метод был запатентован в 1989 году выпускником Техасского университета Карлом Декардом. SLS-принтер устроен гораздо проще, чем SLA: луч лазера плавит предварительно подогретый почти до температуры плавления порошок, формируя рисунок слоя. После его застывания насыпается очередная порция порошка, и формируется следующий слой. Очевидное преимущество такого подхода - возможность использования почти любого термопластичного материала, от полимеров до воска. Кроме того, модели, изготовленные по такой технологии, считаются самыми прочными. Разрешение SLS меньше, чем у SLA, а скорость работы выше (например, для принтеров EOSINT немецкой фирмы EOS толщина слоя - 0,1–0,15 мм, скорость формирования слоев - до 35 мм/час). Недостатки - поверхность изделий получается шероховатой, и требуется относительно большое время подготовки к работе, то есть для нагрева исходного полимера и стабилизации температуры.

Зато SLS-принтеры обладают одним очень полезным свойством: они позволяют "печатать" металлические изделия. Делается это при помощи специального порошка, представляющего собой стальные частицы, покрытые полимером. Модель, изготовленная на принтере из порошка, помещается в печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой, в результате получается очень прочное композитное изделие. Есть также порошки на основе стекла или керамики, из них получают термостойкие и химически стойкие детали.

Традиционно в обзорах 3D-принтеров упоминается LOM-технология (Laminated Object Manufacturing), изобретенная Михаилом Фейгеном еще в 1985 году. Здесь лучом лазера раскраивают листовой материал, в качестве которого может выступать что угодно (бумага, ламинат, металлическая фольга и даже керамика), а затем нагреваемые валки склеивают полученные слои друг с другом. Недостатки метода понятны: грубая поверхность изделий, возможность расслоения и ошибок при не полностью прорезанном листе. Зато можно без проблем удалить испорченные слои и сделать их заново. Судя по результатам в поисковых системах (точнее, по их отсутствию), подобные принтеры уже не в моде, тем не менее на сайте фирмы Landfoam можно увидеть восхитительные образчики ландшафтов и архитектурных объектов, изготавливающихся по заказам с помощью подобной технологии.

К сожалению, повторимся, лазерные 3D-принтеры любого типа очень дороги: так, цена SLS-устройств фирмы EOS, которые даже трудно назвать принтерами из-за их размеров, вполне может достигать миллиона долларов. А вот цены другой разновидности 3D-принтеров - струйных - становятся все демократичнее.

Самый очевидный струйный способ 3D-печати: выдавливание жидкого полимера на поверхность заготовки. Таким образом работает технология FDM (Fused Deposition Modeling), идея которой принадлежит Скотту Крампу, основателю компании Stratasys. Первый принтер по технологии FDM был выпущен в 1991 году. Сейчас Stratasys выпускает несколько разновидностей FDM-принтеров, из которых наиболее известна у нас серия Dimension (по названию одноименного подразделения компании). Машины Dimension - одни из самых дешевых среди 3D-принтеров, цена моделей начального уровня опускается ниже $20 тысяч, а в январе Dimension анонсировала "персональный" 3D-принтер uPrint дешевле $15 тысяч. Впрочем, более "продвинутые" FDM-устройства (вроде FDM Titan) могут стоить и вдесятеро больше. Что же нам предлагают за эти деньги?

FDM-принтеры используют нить термопластичного пластика (в дешевых Dimension применяется менее прочный и стойкий полистирол АВС, в более дорогих - поликарбонат РС), которая расплавляется и через фильеру укладывается печатающей головкой на поверхность образца [2]. Так как тонкие нависающие элементы могут деформироваться в процессе печати, в головке предусмотрена вторая фильера, при необходимости автоматически формирующая элементы поддержки. Из готового изделия эти элементы вымываются водным раствором в ультразвуковой ванне. Изделия получаются гладкими и прочными, однако точность изготовления невелика: лучшие FDM-модели имеют толщину слоя 0,127 мм, рядовые - 0,178 мм и более. Кроме того, процесс довольно медленный.

В принципе FDM-принтеры позволяют получать многоцветные образцы (стандартно доступно до семи цветов пластика, или любой другой цвет по специальному заказу), но для этого нужно менять картридж с нитью по ходу работы. Заметное достоинство принтеров от Stratasys - способность работать по принципу plug&play, все операции предельно автоматизированы. Говорят, NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на "космическую фабрику".

Другой способ струйной печати под названием Polyjet разработан израильской фирмой Objet Geometries, чьи устройства с красивым названием Eden ("Эдем") хорошо известны, в том числе и в нашей стране. Polyjet является родственником лазерной технологии SLA, только вместо ванны с жидким фотополимером используется струйная головка, выдавливающая его на поверхность детали. Затем, как в технологии SGC, полимер отверждается под ультрафиолетовой лампой. Цена "Эдемов" довольно велика - $60–100 тысяч для начальных "офисных" моделей, что, впрочем, в несколько раз ниже, чем у SLA-аналогов. Скорость работы - около 20 мм/час, толщина слоя - от 0,16 мм.

На том же принципе основана технология Multi-Jet Modeling от знакомой нам 3D Systems. Год назад на выставке SolidWorks World 2008 эта фирма продемонстрировала 3D-принтер под названием ProJet HD 3000 3-D Production System и пообещала в течение ближайшей пятилетки опустить его цену ниже 2000 долларов, во что верится с большим трудом: пока за рубежом его предлагают за $68–70 тысяч. Новость быстро разнеслась не в последнюю очередь благодаря удачному маркетинговому ходу: мол, ProJet относится к устройствам "высокой четкости" (на что указывают буковки HD), хотя многие другие 3D-принтеры ничуть не менее "высокочеткие" (см. врезку).

Видимо, по той же технологии должен работать принтер от Desktop Factory с ценой якобы ниже $5000. Пару лет назад СМИ заполонило сообщение о начале предварительного приема заказов на этот принтер, однако, судя по официальному сайту фирмы, она и до сих пор продолжает их принимать. Так что о дешевых домашних устройствах 3D-печати, несмотря на широковещательные заявления, пока остается лишь мечтать, но, с другой стороны, давно ли мы убивались по поводу дороговизны цветной лазерной печати?

Наконец, еще один популярный способ струйной 3D-печати под простым названием 3DP (Three-Dimensional Printing) был разработан в Массачусетском технологическом институте, и в настоящее время на этой ниве трудится в основном фирма Z Corporation. Способ состоит в склеивании порошка твердого материала (гипса, целлюлозы, керамики, крахмала) компаундом, выдавливаемым из печатающей головки. Уникальность способа в том, что это единственный из методов 3D-печати, позволяющий получать модели с 24-битным цветом. В цветных 3D-принтерах от Z Corporation (например, Spectrum Z510[У нас принтеры этой фирмы можно встретить под маркой Contex.]), как во всяком приличном струйнике, имеются четыре печатающие головки с компаундом основных CMYK-цветов. Разрешение обычное для подобных методов (толщина слоя 0,1 мм), скорость работы одна из самых высоких - 25–50 мм/час по высоте модели. Недостаток 3DP очевиден: модели получаются не слишком прочными и с зернистой поверхностью. Правда, их можно упрочнить закрепляющим составом или пропитать специальным резиноподобным полимером, получив гибкие модели, а с применением особого порошка можно делать готовые к применению литьевые формы (технология Zcast), что недоступно технологиям, использующим пластик. Причем принтеры Z Corporation дешевле других[От $15 тысяч за монохромную модель и от $40 тысяч за цветную, в России в полтора-два раза дороже.] и в целом довольно популярны, в том числе и у нас.

Вообще, разновидностей технологий 3D-печати еще довольно много, но в основном они представляют собой ту или иную модификацию перечисленных. Так почему я с самого начала заговорил о революции?

О главном назначении всех технологий 3D-печати недвусмысленно говорит их часто употребляемое общее название - rapid prototyping (RP), быстрое изготовление прототипов. Сегодня без 3D-принтеров не могут обойтись медицинское моделирование (протезирование, моделирование органов и пр.), обувная промышленность, мелкосерийное литейное производство, картография, геодезия, ландшафтный и архитектурный дизайн и многие другие отрасли. В машиностроении, автомобильной или авиационной промышленности проведение конструкторских работ без технологий быстрого прототипирования уже и не мыслится. Любопытно, что при подготовке этой статьи я сплошь и рядом натыкался на сайты, посвященные ювелирному делу: оказывается, представители этой старинной профессии чуть ли не первыми взяли RP-технологии на вооружение. Не страдают RP-технологии от недостатка внимания и со стороны художников-скульпторов.

Из-за дороговизны 3D-принтеры нередко сдают в лизинг, или фирмы просто предлагают изготовить модели по вашим оригиналам. Стоит последняя услуга в России в среднем около доллара за кубический сантиметр готовой модели для технологий типа 3DP, но, конечно, цена сильно зависит и от объема заказа, и от материала, и от технологии. Специалисты уже мечтают о Distance Manufacturing on Demand (DMD, "дистанционное производство по требованию"): составил 3D-модель, отправил по Интернету - получил готовый заказ по почте. Эдакое производство на диване. Несомненно, так и будет, когда 3D-печать подешевеет до приемлемого уровня, и вряд ли этого придется ждать дольше, чем в других областях.

Точность работы ProJet HD 3000 3-D Production System, судя по спецификациям, довольно высока: 0,001–0,002 дюйма, что характерно для продукции 3D Systems. А вот под "высокой четкостью", видимо, подразумевается, что кроме стандартного режима (разрешение 328х328х606 dpi, то есть 0,08 мм по горизонтали и 0,05 мм по вертикали) есть специальный режим "ультравысокой четкости". В нем высота образца не превышает двух дюймов, зато на эту величину приходится 1600 точек (800 dpi). Тем не менее большинство 3D-принтеров имеют сходные характеристики и даже выше: например, разрешение отнюдь не hi-end-устройства Eden 250 от Objet, работающего по той же самой технологии, составляет 300х600 dpi в горизонтальной плоскости и 1600 dpi в вертикальной (что совпадает с упомянутыми в тексте 0,16 мм толщины слоя). Причем это действительно для любого размера образца, вплоть до максимальных 200 мм по высоте. Разница в цене девайсов минимальна, Eden 250 даже чуть дешевле, да и габаритами поменьше, при почти такой же максимальной величине образца. Так что термин "высокая четкость" в данном случае следует считать просто удачной рекламной находкой. Конечно, если 3D Systems и правда удастся снизить цену, пусть не до двух, но хотя бы до пяти тысяч долларов, то цены ему, извините за каламбур, не будет.