Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 2

КОВАЛЁВА Татьяна Викторовна, преподаватель кафедры нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета, Республика Казахстан. Адрес для переписки: sagilit@mail.ru МОЗГОВОЙ Иван Васильевич, доктор технических

наук, профессор (Россия), профессор кафедры химической технологии и биотехнологии ОмГТУ.

Статья поступила в редакцию 03.06.2016 г. © Е. Н. Еремин, Т. В. Ковалёва

УДК 621.762.04-023.5

С. Н. ЛИТУНОВ В. С. СЛОБОДЕНЮК Д. В. МЕЛЬНИКОВ В. В. ФЕДЯНИН Н. С. КОЩЕЕВА

Омский государственный технический университет

ОБЗОР И АНАЛИЗ

АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. ЧАСТЬ 2

Рассмотрены различные способы и устройства 3D-печати. Предложена конструкция печатной головки 3D-принтера, использующая принцип струйной печати. Головка позволяет использовать для печати высоковязкие материалы и материалы на основе парафина. Проведен сравнительный анализ 3D-технологий с указанием их преимуществ и недостатков. Отражены основные тенденции развития отрасли в ближайшем и отдаленном будущем.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, 3D-технологии.

Данная статья является продолжением первой части обзора аддитивных технологий [1]. Ее цель — раскрыть потенциал еще не освещенных в нем технологий.

В статье описаны принципы работы, недостатки и преимущества следующих аддитивных технологий:

— стериолитография;

— цифровая светодиодная проекция;

— метод многоструйного моделирования;

— струйная трехмерная печать;

— печать способом ламинирования.

В заключительной части приведены общие тенденции развития технологий трехмерной печати. Что уже широко используется в производстве и чего стоит ожидать от трехмерных технологий в ближайшем будущем.

Стереолитография (Stereolithography, SLA-метод). Этот метод разработан и запатентован в 1986 году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull) [2]. Впоследствии он создал компанию 3D Systems. Метод заключается в послойном нанесении жидкой фото-полимеризующейся композиции (ЖФПК) с отверждением каждого слоя лучом УФ-лазера. ЖФПК заливают в емкость, в которой и осуществляется печать изделия [3]. Для лучшего растекания ЖФПК в качестве стола используют сетчатую платформу. Толщина слоя композиции составляет 50—150 мкм, что определяется временем экспонирования и мощностью источника УФ-излучения. На рис. 1 представлена принципиальная схема работы устройства принтера, в котором реализован SLA-метод. Лазерный луч последовательно обходит контуры будущего

изделия, что приводит к полимеризации ЖФПК на поверхности материала. После формирования слоя платформа опускается (или поднимается, в зависимости от конструкции печатного устройства) и процесс повторяется.

По завершению печати остатки полимера на поверхности изделия удаляют в ванне с растворителем. Далее проводят окончательное облучение УФ-светом для завершения полимеризации. БЬА-способ требует применения поддерживающих структур.

При использовании этого метода необходимо учитывать следующее. Чем больше начальная вязкость ЖФПК, тем проще происходит полимеризация, но тем труднее нанести слой. Чем выше светочувствительность ЖФПК, тем меньше энергии требуется для полимеризации, но тем короче время его хранения.

К преимуществам данного способа можно отнести:

— высокую скорость печати (зависит от размеров модели и количества одновременно используемых лазерных головок);

— высокую точность печати;

— возможность изготовления сложных прототипов, включая тонкостенные модели.

К недостаткам относятся:

— использование токсичных материалов;

— высокая цена расходных материалов (1 л фотополимерной смолы стоит порядка $80 — $120);

— высокая стоимость принтеров (стоимость принтеров составляет $10 — $500 тыс.);

— необходимость рекуперации либо утилизации отработанных материалов (полимеров и растворителей);

Лазер

QSbÊKi -

Фотопопимер

Подвижная —I платформа 1

z

А

H H_

Рис. 1. Принципиальная схема работы устройства по SLA-технологии

Рис. 2. Принципиальная схема работы 3D принтера по технологии DLP

— невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле;

— необходимость использования поддержек.

Цифровая светодиодная проекция (Digital Light

Processing, DLP-метод). Аналог стериолитографии, с тем отличием, что на ЖФПК проецируется весь слой целиком, благодаря применению микроскопических зеркал.

Светодиодное проецирование в трехмерной печати является альтернативой SLA-метода, который широко распространен, но имеет высокую стоимость. В DLP-методе могут использоваться серийные светодиодные проекторы общего назначения, что в несколько раз снижает затраты на оборудование. Работа таких проекторов основана на применении микроэлектромеханической системы (MEMS), которая создает изображение, управляя зеркалами на полупроводниковом чипе. Схематично устройство для DLP-способа показано на рис. 2 [4]. В DLP-способе на слой фотополимера изображение, соответствующее этому слою, проецируется покадрово, целиком, для чего исходную 3D-модель изделия разбивают по слоям с шагом, равным толщине экспонируемого слоя ЖФПК. Минимальная толщина слоя при использовании DLP-способа составляет 10—15 мкм. Скорость печати зависит от чувствительности полимера и толщины экспонируемого слоя, но в целом она выше, чем у технологий FDM, SLA, SLS.

ЖФПК имеют широкий диапазон механических характеристик: от твердых пластиков до резинопо-добных материалов. Печать осуществляется материалом одного цвета, что ограничивает область применения этого способа.

Преимущества DLP-способа:

— проецирование всего слоя целиком, что увеличивает скорость печати;

— высокая точность построения за счет отсутствия искажений, вызванных накоплением ошибки при движении печатающей головки в других методах и очень малой толщине слоя;

— высокая скорость построения, связанная с тем, что изображение проецируется покадрово;

— более низкая стоимость оборудования в сравни с SLA из-за отсутствия лазера.

Недостатки способа:

— высокая стоимость ЖФПК;

— необходимость использования поддержек;

— невозможность вторичного использования

материала поддержек вследствие необратимости фотополимеризации;

— ограниченное время использования изделия из-за старения полимера.

Метод многоструйного моделирования (Multi-jet Modeling, MJM-технология). Эта технология запатентована компанией 3D Systems [5] в 1999 г. Нанесение слоев производится с помощью специальной печатной головки, оснащенной массивом сопел. Количество сопел в существующих моделях принтеров варьируется от 96 до 448. Печать производится термопластиками, восками и фотополимерными смолами.

В первых двух случаях материалы затвердевают за счет охлаждения. В случае печати фотополимерами каждый нанесенный слой обрабатывается ультрафиолетовым излучателем [6]. MJM-метод позволяет создавать поддержки нависающих элементов моделей из легкоплавкого воска. В случае использования вспомогательных восковых поддержек по окончании печати готовая модель нагревается в печи до температуры 60 °С для выплавки воска.

Технология обладает высокими показателями точности, сравнимыми с SLA-методом (минимальная толщина наносимого слоя доходит до 16 мкм, а разрешение печати достигает 750x750x1600 DPI). Точность составляет 10 — 20 мкм. Прочность на разрыв более 25МПа.

Преимущества технологии:

— малая толщина наносимого слоя;

— высокое разрешение печати;

— возможность многоцветной печати (при использовании устройства с несколькими печатающими головками);

— возможность сочетания материалов с разными свойствами.

Недостатки метода:

— необходимость использования поддержек;

— ограниченный выбор исходных материалов.

Технология MJM используется в различных отраслях, требующих создания высокоточных прототипов и готовых изделий для стоматологии, в ювелирном деле и разработке электронных компонентов.

Струйная трехмерная печать (Three Dimension Print, 3DP-способ). Разработана в Массачусет-ском технологическом институте (MIT), США, в 1993 году [7]. Технология получила коммерческое

о

го

Рис. 3. Принципиальная схема работы устройства по технологии 3DP

Рис. 4. Схема печатающей головки: 1 — корпус; 2 — электроды; 3 — источник высоковольтного разряда; 4 — поверхность печатного стола; 5 — нанесенный слой; 6 — сопло; 7 — питающее отверстие

распространение в 1995 году с помощью компании Z Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 году.

В качестве исходного материала используются порошки пластиков, песчаных смесей, металлов. Валик разравнивает порошок по всей площади печатного стола. Контуры модели вычерчиваются печатной головкой, наносящей связующий материал, который склеивает частица порошка в соответствии с заданным изображением (рис. 3) [8]. По завершению печати объект нагревается для высыхания клеящего состава. В связующий материал добавляют различные вещества (красители, уплотнители и пр.). Толщина слоя варьируется от 89 до 125 мкм, скорость работы от 870 до 2700 см3/час. Разрешение печати составляет 450 dpi.

Функциональные возможности полученных изделий зависят от последующей обработки. Для улучшения механических свойств изделия обжигают в печи. Во избежание деформации изделий обжиг, как правило, проводят не для спекания, а для выплавки связующего материала с последующей пропиткой более твердым материалом. Например, возможна выплавка или выжигание связующих пластиков с одновременной пропиткой стального изделия расплавом меди или бронзы. Такая обработка увеличивает прочность изделия, но не доводит ее до прочности материала пропитки. Данный метод используются при производстве изделий сложной геометрической формы, которые в дальнейшем не подвергаются высоким механическим нагрузкам.

Преимущества 3DP-метода:

— долговечность изделий при дополнительной термической обработке;

— отсутствие поддержек;

— возможность повторного использования порошка;

— высокая скорость 3D-печати;

— возможность создания изделий сложной геометрической формы.

Недостатки:

— необходимость дополнительной термической обработки металлических изделий;

— механические характеристики, уступающие характеристикам изделий из сплошного металла;

— высокая шероховатость поверхности.

В качестве печатающей головки в MJM- и 3DP-способах используются пьезоголовки, что снижает ассортимент исходных материалов. Так, в одном из подразделений Омского государственного технического университета (Россия) проводились опыты

по использованию в качестве исходного материала состава, в котором применялся наполнитель — корундовый порошок и связующее — фотополимер. Одной из проблем, с которой столкнулись исследователи, была недостаточно высокая вязкость исходного материала, с которым могло работать печатающее устройство, что объяснялось ограниченными возможностями пьезоголовок. Для расширения технологических возможностей 3D-печати предложено использовать печатающую головку, действие которой основано на принципе электрогидравлического эффекта (эффекта Юткина) [9]. Схематично печатающая головка показана на рис. 4.

Корпус 1 головки заполнен исходным материалом, которым должно быть текучее вещество. Принцип работы печатающей головки основан на том, что при прохождении через исходный материал высоковольтный разряд формирует волну высокого давления, направленную поперек оси, соединяющей электроды 2. Под действием давления исходный материал продавливается через сопло 6, и формирует слой 5 на изделии, распложенном на столе 4. При выдавливании исходного материала из головки, в ней возникает разрежение, под действием которого из питающего отверстия 7 поступает исходный материал. Преимущество предложенного решения заключается в том, что высоковольтный разряд создает высокое давление, которое позволяет продавливать через сопло жидкости, вязкость которых выше используемых до сих пор.

Печать способом ламинирования (Laminated Object Manufacturing, LOM-технология). Технология изобретена Михаэлем Фейгеном (Michael Feygin) в 1985 году и запатентована им в 1988 году [10]. Позднее способ доработан компанией Helisys Inc. Изначально LOM-метод предназначался для быстрого изготовления прототипов различных деталей. Метод подразумевает последовательное склеивание изготовленного заранее листового материала (бумаги, пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Изделия, производимые этим методом, обычно подлежат дополнительной механической обработке после печати. Толщина наносимого слоя определяется толщиной используемого листового материала.

Согласно этому способу, лист материала с клейким покрытием наносится на печатный стол или нижний слой изделия с помощью разогретого ролика (рис. 5) [11]. Контур слоя вычерчивается с помощью лазера. Лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры

Рис. 5. Принципиальная схема работы устройства по технологии LOM

удаления. Платформа с готовым слоем передвигается вниз. В рабочую камеру подается новый лист материала. Платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом. Цикл повторяется до завершения печати, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия

Компания Mcor Technologies использует вариант этой технологии, получившей название «Выборочное ламинирование», или SDL-метод. Этот метод был изобретен братьями Коннором и Финтаном Маккормак в 2003 г. [12]. Он предусматривает нанесение клея только в предусмотренных для этого местах, что облегчает процесс удаления лишнего материала. Удаление лишнего материала осуществляется

с помощью лезвия из карбида вольфрама, что снижает стоимость печатающих устройств. Бумажные модели приближаются по физическим характеристикам к древесине, что позволяет проводить соответствующую механическую обработку. Разрешение печати уступает БЬЛ-и БЬБ-технологиям.

Преимущества способа:

— низкая себестоимость производства;

— возможность создания крупногабаритных и цветных изделий;

— отсутствие потребности в поддержках.

Недостатки метода:

— ограниченность используемых материалов;

— необходимость дополнительной механической обработки после печати;

— невысокое разрешение печати;

— большое количество отходов.

Объединяя все вышесказанное, можно разделить ЭБ-технологии на несколько основных групп, отличающихся как принципами создания трехмерных объектов, так и свойствами отпечатанных изделий (табл. 1).

Заключение. Как видно, большая часть аддитивных технологий была изобретена во второй половине прошлого века, но бурное развитие они получили в начале текущего столетия. По-нашему мнению, причин этому несколько. Во-первых, на этот период пришлось развитие мощных тепловых лазеров и све-тодиодов, излучающих в УФ-диапазоне. Во-вторых, рынок потребовал от производителя индивидуализации каждого изделия, независимо от количества изделий в партии, вследствие чего в промышленном производстве начался выпуск изделий партиями от одного экземпляра. В-третьих, были разработаны основные принципы и подходы при единичном производстве той продукции, которую до сих пор изготавливали крупными партиями. Относительно последней причины можно отметить, что произ-

Таблица 1

Принципы создания трехмерных объектов

Метод Технология Исходные материалы

Экструзионный Моделирование методом послойного наплавления

Порошковый Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) Практически любые металлические сплавы

Электронно-лучевая плавка (EBM) Титановые сплавы, кобальтохромовые сплавы, нержавеющая сталь, алюминий

Выборочная лазерная плавка (SLM) Титановые сплавы, кобальтохромовые сплавы, нержавеющая сталь, алюминий

Выборочное тепловое спекание (SHS) Порошковые термопластики

Выборочное лазерное спекание (SLS) Термопластики, металлические порошки, керамические порошки

Струйный Струйная трехмерная печать(3DP) Гипс, пластики, металлические порошки, песчаные смеси

Ламинирования Изготовление объектов методом ламинирования

Полимеризации Стереолитография (SLA) Фотополимеры

Цифровая светодиодная проекция

Е s

X

о

го

водство полиграфической продукции, быстро, как никакое другое, перешло в режим on-demand (печать по требованию). Это стало возможным благодаря появлению так называемой цифровой печати ^D-печать на бумаге с помощью струйных и лазерных печатающих устройств). При этом был накоплен большой опыт такого производства, заложены основы организации работы в этих условиях.

В то же время российские предприятия, которые работают в области 3D-технологий, находятся на стадии кустарного или опытного производства и еще далеки по своей организации от уровня западных и европейских компаний.

Основными двигателями прогресса в индустрии трехмерного производства являются США, Германия и Китай, на их долю приходятся до 90 % всех денежных вливаний, направленных на развитие отрасли [13].

Однако уже сейчас видны особенности 3D-печати, которые могут сдерживать их развитие: относительно малая скорость печати, ограниченный ассортимент исходных материалов, относительно невысокие характеристики изделий. Известные сегодня способы 3D-печати не позволяют получить изделия, которые полностью превосходят изделия, выполненные с применением классических технологий. Учитывая опыт развития 2D-печати, можно сделать следующее предположение о том, что скорость развития аддитивных технологий в скором времени снизится и они займут свой сегмент рынка, в котором они будут находиться вне конкуренции. Уже сейчас можно с уверенностью говорить, что 3D-технологии прочно заняли нишу создания стоматологических и хирургических имплантатов на Западе и в Китае. И в будущем количество таких сегментов будет только увеличиваться.

Аддитивные технологии еще не раскрыли весь потенциал и с каждым годом все больше внедряются в привычные производственные процессы во многих отраслях.

После истечения в 2009 году сроков патентов на технологию послойного наплавления (FDM) цены на такие устройства значительно снизились — с нескольких тысяч до 200 — 300 долларов, что позволяет иметь собственное устройство 3D-печати практически любому желающему.

В 2014 г. истекли сроки действия патента № US5597589 «Apparatus for producing parts by selective sintering» [14] на технологию выборочного лазерного спекания (SLS) и патента № US5597589 «Синхронное многослойное отверждение в стерео-литографии». В 2015 г. истек срок действия патента № US5554336 «Методика и оборудование для производства трехмерных объектов при помощи сте-релитографии». 20 декабря 2016 г. истекает срок действие патента № US6007318 «Методика и оборудование для создания прототипа трехмерного объекта».

Учитывая опыт появления доступных FDM-устройств, в ближайшем будущем стоит ожидать снижения цен и появления бюджетных вариантов SLS- и SLA-оборудования. А учитывая, что объективно и SLS, и SLA технологии превосходят по своим показателям FDM, то потребительский рынок 3D-печати ожидает новый виток бурного развития.

Библиографический список

1. Литунов, С. Н. Обзор и анализ аддитивных технологий. Ч. 1 / С. Н. Литунов, В. С. Слободенюк, Д. В. Мельников // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2016. - 1 (145). - С. 12-17.

2. Hull, C. W., «Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography», US patent 4575330, filed August 8th, 1984, published March 11th, 1986.

3. Лазерная стереолитография. - Режим доступа : http://3dpr.ru/lazernaya-stereolitografiya-sla (дата обращения: 17.12.2015).

4. DLP-высокие показатели точности печати. - Режим доступа : http://www.3d-format.ru/technologies/dlp/ (дата обращения: 17.12.2015).

5. Kulkarni, R. B., Manners, C. R., «Rapid prototyping method and apparatus with simplified build preparation for production of three dimensional objects», US patent № 6159411, filed Feb. 8th, 1999, published December 12th, 2000.

6. Технология многоструйного моделирования (MJM). -Режим доступа : http://3dtoday.ru/wiki/MJM_print/ (дата обращения: 19.12.2015).

7. Sachs, Haggerty, Cima & Williams, «Three-dimensional printing techniques», US patent № 5204055, filed December 8th, 1989, published April 20th, 1993.

8. 3DP и другие струйные технологии. - Режим доступа : http://pm3d.ru/3dp-i-drugie-strujnye-tehnologii/ (дата обращения: 23.12.2015).

9. Юткин, Л. А. Электрогидравлический эффект / Л. А. Юткин. - М. : Машгиз, 1955. - 50 с.

10. Feygin, M., «Apparatus and method for forming an integral object from laminations», US patent № 4752352, filed April 17th, 1987, published June 21th, 1988.

11. Изготовление объектов методом ламинирования. -Режим доступа : http://3dprofy.ru/izgotovlenie-obektov-meto-dom-lamin/ (дата обращения: 27.12.2015).

12. Метод многослойного ламинирования. - Режим доступа : www.3dtoday.ru/wiki/sdl_print/ (дата обращения:

27.12.2015).

13. Зленко, М. А. Аддитивные технологии в машиностроении : пособие для инженеров / М. А. Зленко, М. В. Нагайцев, В. М. Довбыш. - М. : ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с.

14. Переломный момент в истории 3D-печати. - Режим доступа : http://3dwiki.ru/perelomnyj-moment-v-istorii-3d-pecha-ti-istek-srok-patenta-na-texnologiyu-sls/ (дата обращения:

08.01.2016).

ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор, заведующий кафедрой оборудования и технологий полиграфического производства.

СЛОБОДЕНЮК Василий Сергеевич, магистрант гр. ТПм-141 факультета элитного образования и магистратуры.

МЕЛЬНИКОВ Дмитрий Владимирович, студент гр. ТП-141 нефтехимического института. ФЕДЯНИН Виктор Викторович, ассистент кафедры электротехники.

КОЩЕЕВА Наталья Сергеевна, студентка гр. ТП-121 нефтехимического института. Адрес для переписки: Max.264@mail.ru

Статья поступила в редакцию 08.06.2016 г. © С. Н. Литунов, В. С. Слободенюк, Д. В. Мельников, В. В. Федянин, Н. С. Кощеева