Прикладні основи 3D-друку (Панчук Віталій Георгійович)

Історія розвитку технології

Перший 3D-принтер винайшов американець Чарльз Халл, він працював за технологією стереолітографї (SLA), патент на технологію був оформлений у 1986 році. Принтер представляв собою доволі великогабаритний промисловий пристрій. Він свого роду «вирощував» тривимірну модель, шляхом нанесення фотополімеризуючого матеріалу на рухому платформу. Основою слугував попередньо змодельований на комп’ютері цифровий макет (3D модель). Даний 3D-принтер створював тривимірні об’єкти, піднімаючись на 0,1…0,2 мм висоти шару. Не дивлячись на те що перший апарат володів багатьма мінусами, технологія отримала своє застосування. Чарльз Халл являється також співзасновником компанії 3DSystems, одного з лідерів світового виробництва промислових 3D-принтерів. Чарльз Халл був не єдиним, хто експериментував з технологією тривимірного друку. Так в 1986 році Карл Декарт (Carl Deckard) винайшов метод селективного лазерного спікання (SLS): Лазерний промінь спікає порошок (пластик, метал, т.д.), маса порошку при цьому підігрівається в робочій камері до температури близької до температури плавлення. Основою також слугує завчасно змодельована на комп’ютері цифрова модель.

Після проходження лазером горизонтального шару, камера опускається на висоту шару (як правило 0,1…0,2 мм), Маса порошку вирівнюється спеціальним пристроєм після чого проходить процес нанесення нового шару.

Однак, самим відомим та розповсюдженим на сьогоднішній день методом 3D-друку, являється пошаровий метод наплавлення матеріалу (FDM). Ідея технології належить Скоту Крампу, патент датується 1988 роком. З нагрітого сопла друкуючої головки, за допомогою крокового двигуна подається матеріал (як правило пластик-термопласт). Друкуюча головка рухається на лінійних напрямних по одній чи двох осях. Також по одній чи двох осях рухається платформа (стіл). Основою для програмування рухів також слугує 3D модель. Розплавлений пластик наноситься на платформу у межах встановленого контуру, після чого друкуюча головка, або платформа, здійснює рухи у вертикальному напрямку. В результаті відбувається процес нанесення нового шару поверх попереднього. Скотт Крамп являється одним з засновників компанії Stratasys, яка також являється однією з лідерів у виробництві промислових 3D-принтерів.

Всі описані вище пристрої відносились до класу промислового обладнання та коштували доволі дорого, так один з перших принтерів 3D Dimension від компанії Stratasys 1991 року, коштував від $50 000 до $220 000 (в залежності від моделі та комплектації). Принтери працювали за технологіями описаними вище, коштували в рази дорожче, та до недавнього часу про дані пристрої було відомо тільки вузькому колу спеціалістів.

Все почало змінюватись тільки з 2006, коли був заснований проект RepRap (від  англ. Replicating Rapid Prototyper — само продукуючі механізми для швидкого виготовлення прототипів), який мав за мету створення самокопіюючих пристроїв, яким і являється 3D-принтер, працюючих за технологією  FDM (пошарове наплавлення). Тільки на відміну від дороговартісних промислових  пристроїв, він був схожий на виріб з підручних засобів. Рамою слугують металеві вали, які також слугують напрямними для друкуючої головки, якою керують крокові двигуни. Програмне забезпечення має відкритий код. Майже всі з’єднувальні деталі друкуються з пластику також на 3D-принтері. Така ідея зародилася в осередку англійських вчених та ставила за мету розповсюдження доступних адитивних технологій серед користувачів, які могли, завантажуючи 3D моделі в мережі Інтернет, створювати необхідні вироби, максимально скорочуючи таким чином виробничий ланцюг.

Залишивши збоку ідеологічну складову, суспільству вдалося створити доступний для звичайної людини 3D-принтер. Так набір не друкованих деталей може коштувати в районі двох сотень доларів США, а вартість готового принтера складе від п’ятисот доларів США. І нехай ці пристрої мали непоказовий вигляд та суттєво поступалися за якістю промисловим аналогам, все це дало неймовірний поштовх для розвитку технологій 3D-друку.

В міру розвитку проекту RepRap, почали з’являтись 3D-принтери, які взяли за основу закладену рухому базу в технічному та інколи в ідеологічному плані (наприклад концепцію відкритого коду – Open Source). Компанії, що виготовляли принтери прагнули виготовити їх більш якісними, як в плані робочих характеристик, так і в плані дизайну. Перші принтери RepRap не можна назвати комерційним продуктом, так як процес складання не простий, керувати ним не завжди просто, а досягти стабільних результатів роботи вдається не завжди. Тим не менш компанії прагнули скоротити істотний розрив з промисловими аналогами у якості друку, залишаючи за можливості вагомий розрив у вартості.

Можемо згадати про компанію MakerBot, що почалась як стартап, взявши за основу RepRap, та поступово перетворила його в продукт нової якості. Її флагманським продуктом є 3D-принтер MakerBot Replicator 2. Модель була випущена в 2012 році та пізніше знята з виробництва. Модель була однією з найпопулярніших 3D-принтерів «персонального» сегменту. Дана модель відрізняється від своїх предків (RepRap), являючись по суті закінченим комерційним продуктом. Виробники відмовились від концепції OpenSource, закривши всі джерела та коди ПО. Паралельно з випуском техніки компанія активно розвивала ресурс Thingiverse, що містить безліч моделей для 3D-друку, доступних для безкоштовного завантаження.

Також на ринку в цей же час почала своє існування молода компанія Formlabs, яка однією з перших розпочала виробництво доступного 3D-принтеру за технологією SLA (стереолітографії). Компанія в результаті випустила доступний та продуктивний 3D-принтер скоротивши розрив в якості описаний вище.

І хоча описані вище 3D-принтери були далекі від досконалості, вони поклали початок розвитку доступної техніки для тривимірного друку, які покращуються і до цього часу. В наш час якість принтерів технологій FDM та SLA покращується, паралельно чому також відбувається поступове зниження їх вартості в зв’язку з доступністю технологій. Паралельно з FDM та SLA, багато компаній проводить розробки в інших технологіях, таких  як спікання порошків (SLS), а також друку металом. Не дивлячись на те що, такі принтери доступними важко назвати, їх ціна  в рази нижче в порівнянні з аналогами професійного сегменту. Варто також відмітити, розвиток лінії матеріалів, крім стандартних ABS та PLA пластиків, сьогодні використовується багато різноманітних матеріалів, включаючи Нейлон, Карбон, та інші міцні та тугоплавкі матеріали.

3D-принтери персонального сегменту сьогоднішнього дня сильно наблизились до професійних пристроїв, розвиток яких також не зупиняється. Крім компаній «засновників» технології (Stratasys, 3dsystems), з’явилось багато невеликих компаній, які спеціалізуються на промислових технологіях 3D-друку (в більшості металом). 3D-друк також приваблює до себе увагу крупних корпорацій, які з різним ступенем успішності прагнуть досягти свого місця на зростаючому ринку.

Тут варто відмітити компанію HP, яка не так давно випустила модель HP JetFusion 3D 4200 завоювавши популярність серед професіоналів 3D-друку.

Однак технологія 3D-друку розвивається не тільки в ширину, але й в глибину. Одним з головних недоліків тривимірного друку, в порівнянні з іншими методами виробництва, є мала швидкість створення виробів. Суттєвим рухом вперед в плані пришвидшення процесу 3D-друку стало винайдення технології CLIP компанією CARBON. Працюючі за цією технологією принтери компанії, можуть виготовляти моделі в сто разів швидше порівняно з класичною технологією SLA.

Також постійно відбувається розширення лінійки, властивостей та якості матеріалів, а також пост-обробки виробів. Все це прискорює перехід до використання 3D-принтерів саме у виробництві, а не тільки як засобів для прототипування. Сьогодні багато крупних та не тільки, компаній і організацій тісно використовують 3D-принтери в своєму виробництві: починаючи від виробників споживчих товарів NIKE та PUMA, та закінчуючи BOING і SPACE X (останні друкують частини двигунів для своїх ракет, які неможливо було виготовити ні одним з доступних до цього методів).