3D-печать: инновационные технологии аддитивного производства

3D-принтеры обладают высокой скоростью печати и уже начинают менять мир производственной промышленности. При этом первому патенту почти 70 лет! Поэтому новые патенты уже не нужны – современные ученые модифицируют оригинальную идею и внедряют свои инновации. Так, специалисты Texas Instruments предлагают использовать технологию DLP

Голоден? Распечатай себе... бургер! Игрушки, запасные части, медицинские принадлежности, украшения и даже детали автомобиля, а также еда – 3D-принтеры уже существуют в нашей жизни как нечто само собой разумеющееся. Мы пользуемся последней версией операционной системы Windows. И в 3D-принтерах интегрирована именно она.

За такие возможности мы должны поблагодарить двух изобретателей: прототип современного аддитивного производства был продуман уже в 1956 году Джоном Мюнцем (John Munz). Он разработал метод создания твердых объектов под действием ультрафиолетового света и назвал этот метод фотополимерной печатью (Photo-Glyph Recording).

Еще через 30 лет Чак Халл (Chuck Hull) соединил автоматизированное производство с идеей Мюнца о полимерах, отвердевающих под действием УФ-света, и разработал первый процесс аддитивного производства, который он назвал стереолитографией. Эта технология используется при автоматизированном лазерном облучении, которое позволяет послойно создавать твердые объекты из светочувствительного полимерного материала. Так появилась совершенно новая отрасль промышленности, которая продолжает активно развиваться. Уже в 1983 году Чак Халл держал в руках первую 3D-деталь, а немного позднее опубликовал первый патент. Изобретатель, которому уже больше 70 лет, все еще работает – разрабатывает системы быстрого производства с использованием инновационных материалов.

«Выпуск первых патентов создал все предпосылки для роста рынка аддитивных технологий», – считает Роберт Родригес (Robert Rodrigues), инженер-технолог компании Texas Instruments (TI). А благодаря инновационным идеям молодых специалистов идея Халла реализуется в современных 3D-принтерах с использованием технологий DLP.

DLP-техника: печать с высоким разрешением

Основным элементом DLP-техники является цифровое микрозеркальное устройство (Digital Micromirror Device, DMD). Это пространственный модулятор света (Spatial Ligh tModulator, SLM), который используется для придания лучу света определенной формы. «Например, если связать DMD с источником УФ-света, то разрешение и скорость производства значительно возрастут по сравнению с обычной стереолитографией 1986 года», – объясняет Роберт Родригес. – «Печать с высоким разрешением обусловлена тем, что отображается не источник света, а каждый пиксель». В то время как максимальное разрешение лазерных литографических установок составляет около 100 мкм, DLP-принтеры обладают разрешением 30 мкм. «Высокое разрешение позволяет получить объект с качественной поверхностью, которая приятнее на ощупь и не требует дополнительной обработки», – утверждает эксперт.

DLP-техника незаменима, когда необходимо быстро «распечатать» сложные или крупные объекты. По словам Роберта Родригеса, все дело в том, что DLP-принтеры за один прогон печатают один слой вне зависимости от количества элементов в слое, в то время как лазерные установки печатают каждый элемент отдельно.

DLP-техника: высокая производительность

Чтобы лучше понять преимущества DLP-техники, приведем пример: лазерный луч шириной 100 мкм должен 100 раз пройти по заданной поверхности для создания 1 слоя объекта шириной 1 см. Чтобы получить объект, необходимы сотни прогонов для сотен слоев, поэтому лазерные установки – слишком медленный способ производства. В отличие от них, время печати на принтерах DLP не зависит от сложности слоев, поскольку технология DLP предполагает отображение всего слоя целиком – вне зависимости от сложности или размера слоя. Независимость времени печати от сложности слоев обусловливает не только быстрое создание эскизных макетов, но и возможность одновременного производства нескольких деталей. «Например, если на рабочей поверхности аппарата можно расположить 10 деталей, то их можно печатать одновременно, что существенно снижает время производства», – поясняет Родригес.

3D-принтер: разнообразие печатных материалов

3D-принтеры на основе технологии DLP могут использовать разные печатные материалы для производства как объектов, так и эскизных прототипов. В стереолитографии используют акриловые мономеры. Их перемешивают с фотоинициатором, который реагирует на ультрафиолетовый или видимый свет. Когда фотоинициатор контактирует с фотонами с большой энергией, в мономере образуются узлы, и он затвердевает.

В качестве печатных материалов также используют керамику и металлы. Керамический порошок смешивают со связующим веществом – акриловой смолой – в соотношении приблизительно 1:1. Те же методы печати и то же оборудование, что и для чистой акриловой смолы, используются для частичного затвердевания, достаточного для сохранения формы. Затем объект помещается в печь для удаления полимерного материала и связывания керамики. После такой термообработки объект на 99% состоит из керамики.

Подобным образом изготавливаются и металлические объекты – из металлического порошка и мономерной акриловой смолы.

3D-печать: от элитной услуги до повседневного использования

Сочетание высокого разрешения, широкого выбора материалов и высокой скорости изготовления объектов обусловливает эффективность и функциональность 3D-принтеров на основе DLP-технологии.

На рынке 3D-принтеров представлены модели на любой вкус – от элитных устройств для промышленного применения и профессионального пользования до обычных потребительских моделей для повседневного применения.

«Развитие технологий аддитивного производства снимает исторические ограничения эпохи стереолитографии: DLP-техника открывает новые возможности производства», – подводит итог Роберт Родригес.

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?