Содержание |
3D-печать
Процесс перехода от классических технологий – резания, штамповки, ковки, литья к управляемому с помощью компьютеров формообразованию изделий начался с 3D-печати, как с наиболее очевидного решения. Будущее видится радужным, но пока нам еще сложно представить возможный синергетический эффект, когда 3D-печать объединится с процессом создания новых материалов и новых принципов конструирования изделий. Мы можем только предполагать будущее, глядя на «напечатанный» автомобиль.
Первый коммерческий 3D-принтер предложила компания Object Geometries в 2000 году, позже она слилась с Stratasys, хотя история 3D печати, как технологии, на двадцать лет старше.
В мае 1989 года японский ученый Хидео Кадама сделал попытку запатентовать метод быстрого создания прототипов: он создавал трехмерные объекты, послойно засвечивая жидкий пластик лучом ультрафиолетового лазера, вызывая таким образом отведение. На регистрацию патента денег ему не хватило, в итоге остались только статьи, где Кадама описал основные принципы стереолитографии (stereolithography, SLA).
В 1984 году примерно аналогичные исследования и столь же неудачно для авторов проводились во Франции группой, куда вошли математики и физики Алан Мешо, Оливер де Вит и Жан Клод, их работа тоже была признана неперспективной и в патенте им, как и Кадаме, отказали. А далее, как это часто бывает в истории изобретений, заявку на стереолитогафию практически одновременно с ними, с разницей во времени всего на три недели подал американец Чак Халл и он оказался успешнее, получив в последующем несколько десятков патентов. В 1988 году он создал компанию, специализирующуюся на SLA.
Идея SLA достаточно проста – основу составляет стоящий на платформе сосуд, он заполняется жидким пластиком и в процессе работы пошагово поднимается, и на каждом шаге луч обеспечивает послойное отвердение.
В 1988 году Карл Декард предложил более практичный метод, получивший название селективное лазерное спекание (Selective laser sintering, SLS). Суть его в спекании мелкодисперсного порошкового материала с помощью лазера.
В первом воплощении SLS порошок послойно ссыпался в форму и запекался лучом, а затем платформа понималась на толщину слоя, которая зависит от свойств материала и мощности лазера. В последующем были созданы многочисленные иные способы наплавки материала (cladding process). Если SLA работает только с жидкими пластиками и каучуками, то SLS разнообразнее, можно использовать металлы и сплавы.
За последующие годы трехмерная печать прошла колоссальный эволюционный путь, разделившись на два основных направления – быстрое создание моделей (прототипов) и аддитивное производство (Additive Manufacturing. AM). Этот путь детально описан в материале «History of additive manufacturing».[1]
Параллельно с развитием 3D-печати возникли близкие по звучанию версии 2.5D, 4D и даже 5D. По мнению Gartner 4D входит в число наиболее перспективных направлений, но практические результаты ожидаются не менее чем лет через 10.
2,5D-печать
Технологию 2.5D разрабатывает компания Casio, ее называют текстурной (textural printing) или рельефной печатью (elevated printing). В процессе печати слегка поднимаются отдельные фрагменты, отсюда 2,5, и на поверхность наносятся разнообразные покрытия и краски (до 16 миллионов вариантов), что позволяет создавать рельефные поверхности с самой разной текстурой. Цель такой печати состоит в помощи невидящим и в создании разнообразных декоративных изделий, например, копий живописи.
Технология получила название Mofrel, в ней в качестве носителя используется двухслойная бумага, между ее слоями находится пудра из полиэтиленгликольтерефталата, более известного как ПЭТ, одного из самых дешевых пластиков, используемых для самых разных целей, самое массовое применение – бутылки для воды. На бумагу толщиной около 2 мм сначала наносится вспомогательное покрытие, оно засвечивается источником инфракрасного излучения, далее при нагревании пудра в нужных местах вздувается и получается рельеф, а затем наносится изображение. Печать листа формата А4 занимает около 5 минут.
Первые промышленные образцы 2.5D принтеров появились в конце 2017 года, они используются в процессах проектирования разного рода изделий для макетирования поверхностей, которые в реальных изделиях могут быть кожаными, тканевыми и другими, что исключает опытное производство и существенно упрощает переход от CAD к CAM (от автоматизированного проектирования к автоматизированному производству).
4D-печать
В 4D-печати к трем координатам прибавляется четвертая координата – время, это значит, что напечатанные по технологии 4D трехмерные изделия в последующем могут изменяться под влиянием тех или иных внешних факторов, например, температура, влажность, солнечный свет или иное облучение. Основные работы в области 4D сосредоточены в лаборатории по самосборке (наподобие молекул) Self-Assembly Lab Массачусетского технологического института, в также в исследовательском подразделении одного из лидеров по производству принтеров для 3D Stratasys и в софтверном подразделении Autodesk.
Лаборатория Self-Assembly Lab была создана Скайларом Тиббитсом в международном центре по дизайну International Design Center в MIT. Она специализируется на проблемах автономной сборки и создании материалов с программируемыми свойствами. Первыми результатами были работы по созданию полимеров, способных запоминать исходную форму. Такие материалы могут быть использованы для точечной доставки медицинских препаратов и при создании медицинских имплантатов.
Заметный интерес к 4D-печати проявляет армия США, она спонсирует исследования в этом направлении, преследующие целью создания новых типов амуниции и вооружения, изменяющего свою форму.
5D-печать
Обычная трехмерная печать в основном статична, в процессе формирования изделия может подниматься платформа и еще могут двигаться напыляющие сопла. Пятимерное, точнее по пяти осям, аддитивное производство (five-axis additive manufacturing) отличается тем, что формируемый предмет может вращаться вдоль двух осей или на напыляемый порошок оказывается управляющее воздействие тоже по двум осям.
Самый простой способ 5D-печати показан на рисунке выше, на нем видно, что платформа с формируемой оболочкой может наклоняться по двум направлениям – вперед-назад и вправо-влево. Даже при использовании простейшей технологии с наплавлением пластика в оболочке образуется структура, увеличивающая ее прочность во много раз. Несложно представить себе насколько повысится прочность, если при печати для армирования использовать соответствующие материалы, получится нечто наподобие железо-бетона.
Автор метода - Уильям Еразунис из Mitsubishi Electric Research Labs. По его данным, оболочка, выполненная по технологии 5D, в 40 раз прочнее оболочки с обычными горизонтальными слоями. По мнению Еразуниса, для использования преимуществ 5D-печати необходимо основываться на знании строительной механики.
В процессе печати из металла есть место для ультразвуковой аддитивной технологии (Ultrasonic additive manufacturing, UAM), которая позволяет создавать материалы с программируемыми свойствами, сплавляя микрочастицы между собой или отшелушившая их.
Работы над такого рода гибридными материалами ведутся национальной лабораторией Oak Ridge National Laboratory. Более подробно технология UAM описана в статье «Exploring the mechanical strength of additively manufactured metal structures with embedded electrical materials».[2]
Смотрите также
- 3D-печать в медицине
- 3D-печать в медицине (мировой рынок)
- 3D-принтеры (мировой рынок)
- Проекты 3D-печати
- АМТ-Спецавиа
- Apis Cor
- 3D-печать (Аддитивное производство)
Примечания
