3D-печать как новое научно-техническое направление

Э.М. Пройдаков

3D-ПЕЧАТЬ КАК НОВОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

Ключевые слова: аддитивные технологии; SD-печать; новые технологии; научно-техническая политика; подготовка кадров.

Keywords: additive technologies; 3D printing; new technologies; scientific and technical policy; staff training.

Аннотация: В статье рассматриваются вопросы, связанные с трехмерной печатью (SD-печатью), ее применением и той важной ролью, которую эксперты отводят данному направлению в модернизации промышленного производства. Указывается на необходимость уделения большего внимания данной технологии в планах научно-технического развития России и ее поддержки на государственном уровне.

Abstract: In the article questions connected with 3D printing, its application and that important part which experts assign to this direction in modernization of industrial production are considered. It is indicated the need of bigger attention of the given technology for plans of scientific and technical development of Russia and its support at the state level.

Трехмерная печать (далее SD-печать) представляет собой послойное создание физического объекта на основе его трехмерной компьютерной модели. Более детальное описание процесса следующее: «SD-печать - это выполнение ряда повторяющихся операций, связанных с созданием объемных моделей путем нанесения на рабочий стол установки тонкого слоя расходных материалов, смещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя и удалением с поверхности рабочего стола отработанных отходов.

Циклы печати непрерывно следуют друг за другом: на предыдущий слой материалов наносится следующий слой, стол снова опускается, и так повторяется до тех пор, пока на элеваторе (так называют рабочий стол, которым оснащен SD-принтер) не окажется готовая модель» [31. Поскольку при производстве объекта материал «наращивается» слой за слоем, такая технология называется также аддитивной.

Можно сказать, что принцип действия 3D-принтера довольно прост: сначала с помощью какой-нибудь системы автоматизации проектирования (САПР) подготавливается файл для печати, например с помощью широко распространенной системы «AutoCAD» компании «Autodesk». После создания файл отправляется на 3D-печать, где он уже преобразуется в окончательное изделие. В принципе печать происходит так же, как и на обычном принтере, но только вместо бумаги с текстом на выходе вы получаете объемную, твердую модель [10].

3D-печать ведет свою историю с 1948 г., когда американец Ч. Халл разработал технологию послойного выращивания физических трехмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (ФПК). Технология получила название «стереолитографии» (STL). Патент на свое изобретение автор получил только в 1986 г. Тогда же он основал компанию «3D-system» и приступил к разработке первого промышленного устройства для трехмерной печати, которое было представлено общественности год спустя, в 1987 г. [2]. В эти годы были также запатентованы и несколько других технологий 3D-печати, поэтому первенство в производстве первой коммерческой модели трехмерного принтера оспаривают несколько компаний. Однако бум вокруг данной технологии начался в первом десятилетии этого века, и теперь она вышла на уровень массового рынка. Согласно статистике за 2012 г. [11], в мире существует уже более тысячи самых разных 3D-принтеров, и их количество очень быстро увеличивается [8].

Преимуществами подобных устройств являются высокая скорость, простота и сравнительно низкая стоимость. 3D-принтеры позволяют полностью избавиться от ручного труда и создать модель будущего изделия всего за несколько часов, при этом исключая возможность ошибок, связанных с «человеческим фактором» [9].

Можно сказать, что технология 3D-печати созрела для ее массового применения в самых различных областях. При этом выявилось несколько уникальных качеств данной технологии, которые заставили говорить о технологической революции в производстве.

Устоявшейся классификации SD-принтеров пока нет, но их можно разделить по используемой технологии, по типу (промышленные, лабораторные (учрежденческие) и домашние), по числу печатающих головок, по цветности (одно- и многоцветные), по числу материалов, из которых печатается изделие (один материал или несколько разных). Кроме того, их можно классифицировать по назначению, например строительные, пищевые и т.п.

Технологии 3Б-печати

Существует несколько технологий SD-печати, которые отличаются друг от друга по типу прототипирующего материала и способам его нанесения. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии:

1) стереолитография;

2) лазерное спекание порошковых материалов;

3) технология струйного моделирования;

4) послойная печать расплавленной полимерной нитью;

5) технология склеивания порошков;

6) ламинирование листовых материалов;

7) УФ-облучение через фотомаску;

8) цветная 3D-печать.

Технологиям можно посвятить отдельную книгу, но здесь кратко поясним только те, на которые будут ссылки в дальнейшем.

Стереолитография (SLA) - наиболее распространенная среди технологий 3D-печати. Она использует фотополимер - материал, который твердеет при воздействии на него лазерного луча. Принтер, работающий по этой технологии, содержит ванну с жидким фотополимером, на который сканирующая система направляет лазерный луч. После того как засвеченный тонкий слой фотополимера затвердеет, ванна с ним опускается вниз на 0,025-0,3 мм. В конце процесса образуется изделие из твердого полупрозрачного материала, который легко склеивается, обрабатывается и окрашивается. Эта технология обеспечивает низкую себестоимость изделий.

Лазерное спекание порошковых материалов (SLS, выборочное лазерное спекание). В этой технологии, которая была изобретена в 80-х годах прошлого века, используются металл, керамика, порошковый пластик. Порошковый материал наносится на поверхность рабочего стола и запекается лазерным лучом в твердый слой, соответствующий сечению 3D-модели. После этого рабочая поверхность опускается, и процесс повторяется до получения изделия.

Следует отметить, что в КНР в Университете науки техники провинции Далянь был представлен лазерный SD-принтер с возможностью печати объектов с максимальным размером 1,8 м х 1,8 м х 1,8 м [1]. В подобных промышленных SD-принтерах металл плавится высокомощным лазером, а для правильной его работы требуется специфическая бескислородная и безазотная атмосфера. Существуют различные способы решения этой проблемы.

Технология струйного моделирования. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих - широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка SD-принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание. Данная технология позволяет получать окрашенные и прозрачные изделия с различными механическими свойствами - от мягких, резиноподобных, до твердых [3].

Еще одна популярная технология - послойная печать расплавленной полимерной нитью (FDM). Она заключается в том, что печатающая головка разогревает до полужидкого состояния нити из ABC-пластика, воска или поликарбоната (температура нагревания контролируется) и с высокой точностью подает материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои соединяются между собой и отвердевают, формируя готовое изделие. При этом толщина слоя находится в пределах 0,254-0,330 мм, а точность (отклонение от заданных размеров) - 1,00 мкм. У этой технологии и различных ее разновидностей есть множество достоинств. Одно из них заключается в том, что, по сути, процесс выращивания 3D-детали напоминает обычную струйную печать [3; 10].

Применение

Трехмерная печать не стоила бы того большого внимания, которое ей сейчас уделяют, если бы она, с одной стороны, уже сейчас не нашла применение в самых разных областях, а с другой -не обещала бы существенно повлиять на характер производства в целом. Посмотрим на ее основные области применения.

Быстрое прототипирование, макетирование, например в САПР и при архитектурном макетировании. Быстрое прототипирование применяется при изготовлении архитектурных макетов зданий,

сооружений, ландшафтов, макетов районов города или заводов. При этом в три-четыре раза снижается стоимость подобных изделий по сравнению с традиционными макетами. Такие макеты могут использоваться на выставках, в офисах продаж, при защите проекта и т.д. Нужно отметить, что российские государственные организации часто покупают ЗО-принтеры именно для этой цели. Для печати трехмерных архитектурных макетов использует дешевый гипсовый композит, который обеспечивает низкую себестоимость готовых моделей.

Медицина. Здесь ожиданий от технологий трехмерной печати больше всего. Уже сейчас она используется для изготовления различных подогнанных под конкретного пациента протезов и имплан-татов, особенно в стоматологии, где эти технологии уже широко применяют. Применение ЗО-принтеров дает возможность создавать муляжи и макеты органов пациента для подготовки врачей к ответственным операциям [9]. Активно ведутся исследования по печати человеческих органов. Ожидается, что уже через 5-7 лет будут получены результаты, которые можно будет использовать в широкой медицинской практике.

Очень показателен пример применения ЗО-печати в китайском авиастроении. В 2013 г., в лаборатории Северо-Западного политехнического института Китая (КРЦ), напечатали пятиметровый центральный лонжерон крыла для перспективного пассажирского самолета «Сотас С-919», который, как ожидается, войдет в коммерческую эксплуатацию в 2016 г. Благодаря использованию ЗО-тех-нологий удалось значительно снизить массу лонжерона. Он весит всего 136 кг (аналогичная деталь, полученная ковкой, весила 1607 кг). При этом экономия материала составила 91,5%. Проведенные испытания показали, что ЗО-печатные детали ведут себя не хуже, чем те, которые были получены традиционными способами [5].

В передовой робототехнике также заметно доминирование ЗО-печати. Уже знаменитый робот «Л1рИаВо8» почти на треть собран из деталей, распечатанных на таком принтере [8]. Российские разработчики роботов также активно используют эту технологию.

Интересно применение ЗО-принтеров в строительстве. Пока проводятся эксперименты, обещающие революцию в данной области, поскольку одновременно со стенами печатаются и все внутренние коммуникации дома. Возможно печатание внутренней отделки комнат. При этом исчезает человеческий фактор в виде неквалифицированных рабочих и т.д.

Есть множество весьма необычных применений ЗО-печати, таких как изготовление театрального реквизита, изготовление одноразового инструмента для армии для ремонта техники в полевых условиях, производство ювелирных и сувенирных изделий и т.д.

Отметим, что освоение технологии ЗО-печати учащимися при соответствующем оснащении образовательных учреждений конструкторских или дизайнерских специальностей ЗО-принтерами, несомненно, будет способствовать не только повышению эффективности образовательного процесса, но и скорейшему внедрению этих технологий в производственные процессы и в разработку новых изделий.

Возникающие проблемы

Разумеется, широкое внедрение ЗО-печати ставит перед обществом ряд требующих решения вопросов. В первую очередь это возможность печати оружия. Эксперименты показали возможность распечатать в домашних условиях вполне боеспособные экземпляры огнестрельного оружия. Другой вопрос касается соблюдения авторских прав, поскольку ЗО-печать позволяет воспроизвести как произведения искусства, так и образцы продукции, защищенные патентами. Нет сомнений, что возникнут и другие проблемы, которые международному сообществу предстоит решать в связи с данной технологией, однако это неизбежно при внедрении любой технологии глобального масштаба.

Интернет-ресурсы

Предоставление услуг ЗО-печати активно развивается как через Интернет (очень много международных ресурсов, а также десятки отечественных), так и через локальные офисы фирм. В России эти сервисы доступны практически во всех крупных городах. Ниже приведены адреса ряда отечественных и иностранных ресурсов.

Услуги ЗО-печати в России:

1) Ийр://-^№^тоде1тЗд.ги/ - услуги ЗБ-печати из различных материалов (фотополимер, композитные материалы, ЛБ8-пластик) в Москве. Изготовление детали по С АО-файлу [10];

2) Ийр^ЛесИпо^д.ги/ЗВрпП/ - быстрое прототипирование и ЗО, услуги, начиная от ЗО-сканирования, создания файлов, ЗО-ви-зуализации и ЗО-печати;

3) 3dmarket.org - сервис, позволяющий скачивать и загружать модели, а также выбирать исполнителя на печать [7];

4) printshare.ru - печать моделей из представленного каталога, а также печать своих моделей [4];

5) 3dprintus.ru - стартап, изготовление различных изделий по индивидуальным эскизам [4];

6) can-touch.ru - есть каталог с готовыми моделями. Большой выбор материалов;

7) nposystem.ru/ - сервис в Москве;

8) http://www.3dprintspb.com/ - находится в Санкт-Петербурге;

9) http://www.teplocom-npf.ru/3d_print/ - находится в Санкт-Петербурге, в холдинге «Теплоком». Собственная установка лазерного спекания компактного класса EOS RORMIGA P100 с рабочим объемом 200 х 250 х 330 мм и толщиной слоя 0,1 мм. Оборудование за несколько часов изготавливает пластиковые изделия из полиамида или полистирола непосредственно из данных CAD-моделей;

10) http://3dprint.tomsk.ru/ - сервис 3D-печати в Томске;

11) http://www.cybercom.ru/ - компания «Cybercom Ltd». Офисы в Москве и Перми.

Иностранные интернет-сервисы 3D-печати:

1) www.thingiverse.com - наверное, самый известный из существующих. Сервис создан для свободного обмена моделями по лицензии «GNU general public license». Сервис работает с 2008 г. Принадлежит «MakerBot industries», США;

2) www.shapeways.com - печать моделей на заказ. Сервис работает с 2011 г. Производство (печать) расположено в Нидерландах и США. Можно добавлять свои модели, даже можно создать свой магазин. В связи с обширным парком 3D-принтеров предоставляют большой выбор материалов, включающих керамику и сталь. Осуществляют доставку в Россию;

3) i.materialise.com/gallery - печать моделей из каталога. Компания работает с 1990 г., находится в Бельгии. Есть также возможность оценить свою модель и выбрать материал;

4) www.sculpteo.com/en/gallery/today/ - печать 3D-моделей и продажа своих. Есть достаточно сложные и дорогие модели;

5) www.kraftwurx.com - платформа для создания 3D-моделей и их продажи;

6) www.turbosquid.com - база 3D-моделей для дизайнеров игр, архитекторов и т.д. Многие модели не создавались с целью 3D-печати;

7) http://www.ponoko.com - занимаются не только 3D-печатью, но и лазерной резкой [4].

Прогнозы роста рынка

Согласно прогнозам, в частности отчету «World 3D printing to 2017» (агентство «Freedonia Group»), спрос на товары и услуги 3D-печати будет расти более чем на 20% в год и к 2017 г. достигнет 5 млрд долл. При этом основными областями применения останутся конструирование и построение прототипов, а также медицина и стоматология. Ожидается повышение спроса на услуги 3D-печати и в непромышленной сфере [6]. Хотя самым большим рынком услуг 3D-печати в настоящее время считаются США (42%), согласно прогнозам «Альянса индустрии 3D-печати Китая» к 2016 г. размер национального рынка аддитивного производства Поднебесной достигнет 1,65 млрд долл., что в 10 раз выше этого показателя за 2012 г. Если эти предсказания сбудутся, вскоре Китай превзойдет США и станет самым большим рынком 3D-печатной индустрии в мире [5].

В России отдельные компании разрабатывают и внедряют устройства объемной печати, однако темпы этих работ могли бы быть намного более высокими при наличии выраженной государственной научно-технической политики в данной области.

Резюме

Резонный вопрос: а в чем же здесь состоит роль науки? В первую очередь это разработка новых материалов и развитие технологий самой послойной печати. Большая работа необходима также в части эффективного создания трехмерных моделей и анализа их свойств. Эти области активно развиваются последние 20 лет, но сделать предстоит еще очень много.

Авторы многих исследований выделили технологию 3D-^-чати в качестве одной из 10 наиболее прорывных технологий, способных изменить промышленное производство в обозримом будущем. Для того чтобы страна достигла успеха в этом направлении, необходима его целенаправленная поддержка со стороны правительства. В качестве примера можно привести Тайвань, где при поддержке правительства был создан альянс из 90 местных компаний, работающих в области создания и выпуска 3D-принтеров, материалов для объемной печати и соответствующего программ-

ного обеспечения. В 2013 г. это направление было признано одной из целей страны на ближайшие восемь лет. Между тем конкуренция в области SD-печати тоже нарастает: исследования и разработки в этой области ведутся также в Китае, Японии, Европе и США [7].

Литература

1. В Китае разработан крупнейший в мире лазерный SD-принтер. - Режим доступа: http://www.n3d.biz/3d-printery/v-ki1ae-razrabo1an-kmpnejshij-v-mire-lazemyj-Sd-printer.html

2. История SD-печати. - Режим доступа: http://www.orgprint.com/ru/wiki/istorija-

3d-pechati

3. Обзор технологий SD-печати. - Режим доступа: http://www.orgprint.com/ru/ wiki/obzor-tehnologij-3D-pechati

4. Список сервисов SD-печати. - Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/183750/

5. Шатов А. Промышленная SD-печать в Китае: Авиастроение и самый большой в мире 3D-принтер. - Режим доступа: http://3dwiki.ru/promyshlennaya-3d-pechat-v-kitae-aviastroenie-i-samyj-bolshoj-v-mire-3d-printer/

6. Шатов А. Экономический прогноз о будущем индустрии SD-печати от Freedonia Group. - Режим доступа: http://3dwiki.ru/ekonomicheskij-prognoz-na-budushhee-industrii-3d-pechati-ot-freedonia-group/

7. Ходаковский К. Тайвань хочет доминировать в области SD-печати. - Режим доступа: http://www.3dnews.ru/798316

8. SD-печать: Третья индустриально-цифровая революция. - Режим доступа: http:// blogerator.ru/page/3d-pechat-industrialno-cifrovaja-revoljucija-3d-printer-makerbot-cena-opisanie-perspektivy-1

9. SD-принтеры и технология трехмерной печати. - Режим доступа: http:// vektorus.ru/auxpage_3d-printery-i-tehnologija-trehmernoj-pechati/#whatis

10. Modelin 3D. - Mode of access: http://www.modelin3d.ru/

11. 3D printing in 2012: Year in review. - Mode of access: http://www.3ders.org/articles/ 20121220-3d-printing-in-2012-year-in-review.html