3D-принтеры: невозможные возможности
Самые вкусные и доступные решения демонстрируются на большинстве выставок 3D-печати — принтеры, печатающие шоколад или печенье (рис. 1). Это, конечно, интересно, но достаточно просто. Мы поговорим о 3D-печати в промышленности и электронике.
Все технологии 3D-печати можно разделить на две большие группы (на базе представленной в Википедии информации):
- лазерные методы печати:
- лазерная стереолитография — метод засвечивания фотополимера лазерным лучом или ультрафиолетовой лампой;
- лазерное сплавление — метод сплавления порошкового материала лазерным лучом;
- ламинирование — склеиваемые тонкие слои материала подвергаются лазерной обработке (раскройке, резке и т. п.), с получением требуемого сечения.
- струйные методы печати:
- застывание материала при охлаждении — формирование детали за счет склеивания капель наносимого материала при застывании;
- застывание фотополимера при облучении ультрафиолетом — способ, аналогичный предыдущему, с той разницей, что застывание происходит под действием ультрафиолетового излучения;
- склеивание или подплавление порошкообразного материала — нанесенный слой порошкового материала склеивается (плавится) в областях нанесения струйным методом связующего (клея, кислоты или другого растворителя);
- нанесение густых смесей, застывающих самостоятельно;
- биопринтеры — нанесение живых клеток на биосовместимый «каркас», дальнейший рост и размножение клеток обеспечивает формирование объекта.
Обзор технологий представлен в таблице 1.
Наименование технологии |
Суть процесса |
Преимущества |
Недостатки |
---|---|---|---|
Струйная трехмерная печать (3DP) |
Послойное построение объектов, контуры модели обрисовываются печатающей головкой слой за слоем, обеспечивая спекание слоев между собой |
|
|
Масочная стереолитография (SGC) |
Послойное нанесение фотополимерной смолы с отверждением ультрафиолетом. Облучение проводится по фотошаблону |
|
|
Многоструйное моделирование (MJM) |
Используется оригинальная головка с матрицей сопел (количество может варьироваться от 96 до 448), печать производится термопластиками, смолами и фотополимерами. Каждый материал отверждается своим методом. По окончании печати воск выплавляется из модели |
|
|
Цветная струйная печать |
Связующий полимер покрывает слои порошкообразных материалов, наносимых с задаваемым шагом |
|
|
Цифровая светодиодная проекция (DLP) |
Альтернативная SLA технология, использует цифровые светодиодные проекторы (DLP). Проецирует изображение сразу целого слоя для затвердевания полимерного материала |
|
|
Выборочное лазерное спекание (SLS) |
Последовательное спекание слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. Перед началом печати материал подогревается до температуры, близкой к температуре плавления, для облегчения спекания. Также для облегчения спекания могут использоваться композитный гранулированный материал с тугоплавким ядром и оболочкой с пониженной температурой плавления |
|
|
Выборочная лазерная плавка (SLM) |
Полная плавка порошковых материалов до образования гомогенной массы. Порошковый материал наносится слоями от 20 до 100 мкм |
|
|
Стереолитография (SLA или SL) |
Облучение лазером жидкой фотополимерной смолы, полимеризация материала происходит в точке соприкосновения с лучом лазера. По завершении вычерчивания контура слоя лазером вся модель погружается в бак со смолой на заданную глубину (на толщину слоя 50–150 мкм). По окончании процесса и вымывания остатков фотополимера возможно отверждение в печи |
|
|
Выборочное тепловое спекание (SHS) |
Осуществляется послойное нанесение порошкового материала с последующим спеканием тепловым излучателем |
|
|
Изготовление объектов методом ламинирования |
Материал (бумага, пластик, фольга) в тонких листах последовательно склеивается, с формированием контура лазерной резкой. Может применяться резка лезвием из карбида вольфрама. Также связующий материал может наноситься только в область формирования модели, а не по всей плоскости листа |
|
|
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) |
Спекание порошкового материала оптоволоконными лазерами высокой мощности |
|
|
Производство произвольных форм электронно-лучевой плавкой (EBF3) |
Наплавление материала в форме проволоки с помощью электронных пусков высокой мощности в вакуумной камере |
|
|
Моделирование методом послойного наплавления |
Печать соплом расплавленного материала, подающегося нитью |
|
требуется использование поддерживающих структур |
Прямое лазерное аддитивное построение |
Металлический порошок напыляется на готовые детали с немедленной плавкой лазером, зачастую это ремонтная процедура |
|
|
Примеры 3D-печати поистине безграничны. Совсем недавно на сайте NakedScience появилась новость об изготовления по такой технологии из композитной стали моста над одним из каналов Амстердама. Для печати моста будут задействованы роботы с несколькими рабочими осями, осуществляющими печать «в воздухе». Работы начнутся на одной стороне канала и с помощью технологических опор завершатся на другой стороне (рис. 2). Планируется, что подготовительные работы к строительству такого моста закончатся в 2017 году, а печать конструкции займет около двух месяцев. Точное расположение моста станет известно в сентябре 2015 года [1].
Ну а теперь вернемся к более близким радиоэлектронным применениям. Часть из представленных выше технологий, такие как принтеры термоотверждения (экструдеры) и фотоотверждения, уже достаточно много описаны, большинство имело опыт общения с ними в той или иной области, поэтому подробно на них останавливаться не стану. Скажу лишь по собственному опыту, что для конструктора, технолога и производственника наличие такого принтера — большое подспорье. Как говорится, «гладко было на бумаге, да забыли про овраги». Возможность проверить новое решение или изменить старое на реальной модели — находка нашего времени. При этом:
- достаточно CAD-файла проекта;
- не требуется изготовления дорогостоящих макетов, пресс-форм, литников, матриц и т. п.;
- деталь дешева (а в некоторых случаях может быть вновь переплавлена для следующей печати, это зависит от материала);
- деталь быстро изготавливается настольной установкой (конечно, все зависит от размеров как детали, так и установки);
- пластик ABS (наиболее распространенный) легко подвергается корректирующей деформации после нагрева теплым воздухом.
Такой принтер недорого стоит, прост в эксплуатации и настройке. Конечно, он не позволит выполнить деталь быстро и с высоким разрешением, но зачастую при разработке конструкции есть день-два в запасе. За неточное сопряжение в микронных посадках вряд ли оформят выговор, а вот когда по ошибке направляющие штыри-ловители не совпадут с ловушками, это грозит неприятностями. Проверить такие неточности вполне позволит довольно простой настольный принтер.
Существуют и более сложные системы. Причем усложнение касается не только точностей, скоростей изготовления и обработки моделей. Также сейчас на рынке можно найти принтеры, печатающие одновременно несколькими материалами, не обязательно пластиками. На сегодня подтверждена возможность печати материалами, приведенными в таблице 2.
Наименование материала |
Условия обработки |
Преимущества |
Недостатки |
---|---|---|---|
ABC-пластик (акрилонитрил-бутадиенстирол) |
температура плавления +180…+250 °С |
|
|
Полиметил-метакрилат (оргстекло, акрил, ПММА) |
температура плавления +160 °С |
|
|
Полилактид (PLA, ПЛА) |
температура экструзии +160…+180 °C |
|
|
Нейлон (Nylon) |
нейлон-6, температура плавления +220 °C; нейлон-66, температура плавления +265 °C; Nylon-PA6 и Taulman 680, температура экструзии +230…+260 °C |
|
|
Поликарбонат (PC, ПК) |
минимальная температура экструзии на скорости 30 мм/с +265 °С |
твердый пластик, способный сохранять свои физические свойства в условиях экстремально высоких и экстремально низких температур; высокая ударная вязкость; высокая светонепроницаемость |
|
Полипропилен |
минимальная температура экструзии +220 °С |
|
|
Полифенил-сульфон (PPSU) |
температура плавления +370 °С |
|
|
Поликапро-лактон (PCL) |
температура плавления +60 °С |
|
|
Полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПНД) |
температура плавления +130…+145 °С |
|
|
Полиэтилен-терефталат (PET, ПЭТ) |
температура плавления +260 °С |
|
|
Ударопрочный полистирол (HIPS) |
температура плавления +160…+220 °С |
|
|
Поливиниловый |
температура экструзии +160…+175 °C |
|
|
Древесные имитаторы |
о них немного рассказано далее в статье |
|
|
Имитаторы песчаника |
температура экструзии +165…+190 °С |
|
|
Бумага |
|
|
|
Гипс |
|
|
|
Бетон |
Используется усовершенствованный сорт бетона, формула которого на 95% совпадает с формулой обычного бетона |
||
Лед |
В качестве материалов используются вода и метиловый эфир, подогретый до температуры +20 °С, печать при –22 °С |
||
Металл |
Поскольку данные материалы наиболее интересны в радиоэлектронной отрасли, на них будет акцентировано внимание далее в статье |
||
Керамика |
|||
Гидрогель |
О нем подробнее будет рассказано в конце статьи |
Также известны пригодные для печати глиняные смеси, гипсы, известковые составы и порошки, органические клетки. Уверен, что есть и другие материалы, пригодные для печати, которые разработаны, испытываются и, возможно, появятся в самое ближайшее время, просто пока они не были представлены в открытом доступе. О том, что придумают инженеры и энтузиасты и какие материалы появятся в ближайшем будущем, остается лишь догадываться. Рассмотрим более подробно два направления печати, появившихся относительно недавно: печать металлов и печать керамики на 3D-принтерах.
Печать металла
Честно говоря, впервые столкнувшись с демонстрацией возможностей промышленных принтеров, я был поражен не самой возможностью спекания порошка металла лазером, а веществом, спекаемым в машине. Многие из нас в детстве с помощью напильника получали алюминиевый или магниевый порошок, при добавлении к марганцовке (и другим составам) все это очень зрелищно вспыхивало с выделением клубов белого дыма, а порой и взрывалось. А здесь — чистые магниевые и алюминиевые сплавы плавятся лучом лазера, и ничего. В детстве за такую емкость с магниевым мелкодисперсным порошком Родину, конечно, не продали бы, но отдали бы многое. Это было, разумеется, первое, скорее ностальгическое впечатление.
Одна из машин, с которой мне довелось ознакомиться, использует инертную среду при работе лазера (сразу уточню: лазеров может быть несколько, что значительно увеличивает производительность). Принцип аналогичен песчаным и пластиковым принтерам: сепаратор насыпает слой материала минимальной толщины, после чего лазерный луч спекает частицы по требуемой геометрии. Естественно, такая технология позволяет получить детали с геометрией, которую невозможно достичь стандартными технологиями (литье, штамповка, ковка, сверловка, фрезеровка и т. д.). И точность более чем достаточная: десятки и единицы микрон, правильное расположение детали не позволит увидеть слойность.
Сразу возникает вопрос о надежности такой детали: насколько сопоставима литьевая деталь и выращенная на 3D-принтере? Фирмы-производители утверждают, что используемые NASA принтеры позволили изготовить детали для ракетных двигателей J‑2X и RS‑25 из никелевых сплавов (рис. 3).
Такие детали несколько уступают по плотности материала деталям, изготовленным литьем с последующей сваркой. При этом сварной шов — потенциальное место образования отказа, и минимизация лишних стыковочных или сварных мест — определенный плюс технологии.
Проводились исследования надежности напечатанных деталей и в нашей стране, такую информацию можно найти в открытом доступе на сайте Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) [2]. Был исследован высокохромистый жаропрочный сплав на никелевой основе ЭП648‑ВИ собственного производства ВИАМ. Результаты показали, что полученные детали имеют объемную долю пористости 0,07% и высокие механические свойства, соответствующие (или превышающие) максимальные паспортные значения для литого материала. Снимки микрошлифов полученных кубических образцов приведены на рис. 4.

Рис. 4. Микрошлифы образцов по SLM-технологии.
До термической обработки:
а) ×500,
б) ×3000;
после термической обработки:
в) ×600,
г) ×2500); в сравнении с литым металлом:
д) ×500; деформированным металлом после термической обработки:
е) ×500
Даже неспециалисту в литье металлов, полагаю, видно, что зерна полученного лазерным сплавлением образца сопоставимы, а после отжига и вовсе меньше аналогичных у литого образца. Конкретные механические параметры образцов в сравнении с литой деталью после термической обработки приведены в таблице 3.
Состояние образца |
σв |
σ0,2 |
d5 |
ψ |
---|---|---|---|---|
МПа |
% |
|||
SLM (N2) |
840 |
695 |
10,4 |
7 |
SLM+ТО |
965 |
665 |
7 |
8 |
Литой с термической обработкой |
785–880 |
585–690 |
4–7 |
4–7 |
Особо обращаю внимание — это материал собственной разработки.
С литьем более-менее ясно: быстрее, как минимум не хуже, минимальная финишная доработка. При фрезеровке неоспоримым преимуществом (наравне с сопоставимыми точностями обработки) является большая скорость, отсутствие постоянного контроля за инструментом. Потери рабочего материала минимальны: в сравнении с 40–90% материала, уходящими в стружку при фрезеровке, теряет-ся только несколько процентов металлического порошка от исходной массы.
Еще одним неоспоримым преимуществом по сравнению с любым другим процессом металлообработки является существенное уменьшение массо-габаритных характеристик деталей. Согласно расчетам, переработка детали на 3D-принтере может дать до 40% экономии. Причем в отличие от композитов (где, кстати, экономия не превысила 15%) деградации со временем не происходит.
Возможности применения таких принтеров почти универсальны: техника и медицина (всевозможные импланты не «общего назначения», а выполненные конкретно по вашей кости, суставу и т. п.), архитектура и элементы декора, любые запчасти и даже поварешки на кухню — словом, все, что вы сумеете придумать и изобразить в CAD.
Ну и в заключение части, посвященной работе с металлами, отмечу, несколько таких машин поступили «на вооружение» ВС США. Они позволили заменить ангары запчастей на военных базах на две машины (принтер и высокопроизводительный фрезерно-токарный центр финишной обработки) и два рабочих места с архивом моделей. Везти и транспортировать любую деталь (при условии «наличия на складе») значительно дороже, чем изготовить ее на месте. И даже если не подойдет, исправленную деталь все равно быстрее распечатать вновь.
Печать керамики
Возможность печати керамических деталей — тоже нововведение в 3D-печати. Существует авторская разработка изобретателя материалов Кая Парти, создавшего керамическое волокно LAYCeramic, состоящее из полимера и керамического порошка [3]. По окончании печати (экструзии) такой материал спекается при +1200 °C. Получаемые детали максимально близки по свойствам к «классической» керамике (рис. 5). Но при спекании происходит достаточно существенная усадка — порядка 20–25% от исходного объема изделия. Довелось видеть на выставке и более совершенные модели, визуально неотличимые от «классических», но, к сожалению, найти информацию по данной технологии не удалось.
За рубежом значительно развито направление экологичной электроники, не загрязняющей окружающую среду (нашу страну это направление затронуло в основном по директиве о бессвинцовой пайке). В данном ключе, по информации PopularScience, была разработана печать необычным материалом — целлюлозой, по сути, древесиной (рис. 6). Одной из первых проблем, с которыми столкнулись ученые из шведского университета Чалмерса, стала невозможность ее расплавления. Для решения данной проблемы волокна целлюлозы были смешаны с гелем на основе воды. Печать проводилась на биопринтере, используемом для выращивания клеток, имплантируемом пациенту. Следующей трудностью стала невозможность высушить или полимеризовать объект. Была придумана оригинальная технология заморозки, при которой удаляется вода. Еще одним оригинальным решением стала возможность интеграции в объект нанотрубок углерода, что позволило получить проводящие структуры. Возможности применения такого материала ограничены, пожалуй, только фантазией инженера [4].
Другим примером «деревянного» материала, пусть и с пластиковыми присадками, может быть разработка уже упоминавшегося Кая Парти. Он разработал специальное деревянное волокно для 3D-печати. Волокно состоит из дерева и полимера и по своим свойствам похоже на полиактид (PLA). Комбинированный материал позволяет получить долговечные и твердые модели, которые внешне выглядят как деревянные изделия и имеют запах свежеспиленного дерева. При этом, варьируя температуру печати, можно получать различные оттенки дерева — от светлых до черных тонов. В комбинации все это предполагает создание моделей, имитирующих дерево не только по запаху и внешнему виду, но даже и с годовыми кольцами на срезе [5]. Примеры таких моделей приведены на рис. 7.

Рис. 7. Модели, имитирующие дерево не только по запаху и внешнему виду, но даже и с годовыми кольцами на срезе
Все эти применения безусловно интересны и перспективны для меня как технолога, но есть область знаний, которая действительно поражает. Уже не нужно фантазировать, можно увидеть выращенные 3D-печатью биологические объекты:
- печень, клетки которой наносятся на глюкозный каркас, и лабораторная мышь живет три месяца с данной печенью [6];
- печать щитовидной железы лабораторной мыши;
- первые импланты кости [7] и зуба;
- напечатанная человеческая кожа [8];
- многие другие опытные работы в медицинском направлении.
Здесь намного больше проблем и ограничений, но есть искренняя надежда, что уже нынешнее поколение сможет воспользоваться всеми преимуществами 3D-печати в медицине.
Приведу еще один пример удивительных возможностей, находящихся на стыке техники и медицины, — синтетической биологии. В Иллинойском университете (США) ученым удалось разработать биоробота. Суть разработки заключается в том, что на конструкцию из гидрогеля нанесли сердечные клетки лабораторной мыши. Конструкция (рис. 8) представляет собой трамплин из подставки и небольшой планки, изгиб которой толкает всю конструкцию вперед. Длина всей конструкции составляет примерно 7 мм, а максимальная скорость передвижения — 236 мкм/с. Более подробно аналогичную разработку можно посмотреть по ссылке [9].
Все приведенные в статье классификации технологий и используемых материалов, примеры конкретных и перспективных реализаций говорят только об одном: мы стоим на пороге изменений не только самого процесса изготовления изделий, но и самого подхода к проектированию. Нужно учиться по-другому задумывать само изделие, ведь теперь существует только одно ограничение — ваша фантазия.
- www.phys.org/news/2015-06-mx3d-3d-print-steel-bridge-amsterdam.html
- viam-works.ru/ru/articles?art_id=772
- www.3dindustry.ru/article/2149/
- www.popsci.com/now-you-can-3d-print-things-out-biodegradable-cellulose
- www.n3d.biz/3d-materialy/kaj-parti-vyshel-na-rynok-3d-pechati-s-novym-materialom-laywood-flex.html
- www.hi-news.ru/technology/uchenye-iz-mit-sozdali-na-3d-printere-miniatyurnuyu-pechen-dlya-proverki-novyx-lekarstv.html
- www.vesti.ru/doc.html?id=1433978&cid=2161
- www.hi-news.ru/technology/loreal-i-organovo-sobirayutsya-pechatat-kozhu-cheloveka-na-3d-printere.html
- www.gizmag.com/walking-bio-robot-spinal-muscle/32804