Публикации

3D технологии. Как печатают будущее.

Немного истории.

Предшественником 3D-принтеров была SLA-установка, созданная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году. В 1988 Халл основывает компанию 3DSystems, создает несколько «аппаратов для стереолитографии» и поставляет различным заказчикам. Основываясь на их отзывы, разрабатывается модель SLA-250. Именно с нее начинается серийный выпуск принтеров компании 3DSystems.

Что может «испугать» сегодня потенциальных пользователей 3D-принтеров:

Дороговизна самих устройств и материалов для печати.

Средняя цена персональных 3D-принтеров стремится к 2500$. Часто, человек желающий купить это устройство, или просто узнать что-либо о них, узнавая цену персонального устройства, проходит несколько стадий, от удивления до нарочного поиска недостатков в данном аппарате с целью «отговорить» себя от покупки этого, якобы, ненужного устройства.

«Узкие» возможности.

Так считает определенная группа потребителей, просто не находя им применения. На самом деле, 3D-принтеры имеют огромное количество возможностей, большой спектр неизведанных принципов работы и возможность модернизации каждой из технологий, используемых принтерами. Данное изобретение будет полезно архитекторам, конструкторам, инженерам, художникам, простым энтузиастам, и всем людям, чьи плоды трудов можно будет пощупать благодаря 3D-принтерам.

Недостаток официальных дилеров. Проблемы сервиса, сложности с поставками в Россию.

Основным местом дислокации крупных предприятий, занимающихся продажей и производством 3D-принтеров персонального типа, еще несколько лет назад были США и Европа. Однако сейчас в России появились локальные поставщики и производители. Однако, следует признать, что проблема ограниченного количества сервисных центров до сих пор актуальна.

Технологии печати в трехмерном пространстве.

В таблице 1 приведены основные технологии и производители 3D-принтеров:

Название	Selective laser Sintering.(SLS)	Stereo lithography Apparatus (SLA)	Fused Deposition Modeling (FDM)	Ink Jet Modelling (IJM)	Binding powder by adhesives	Laminated object Manufacturing (LOM)
Принцип работы	Лазерное спекание порошковых материалов.	Поочередное застывание контуров модели под. действием лазера.	Послойная печать расплавленой полимерной нитью	Струйное моделирование	Склеивание порошкових материалов	Создание моделей из бумаги, путем ламинирования и вырезания бумаги.
Материал	метал, керамика, пластик. (порошок)	Фотополимер в жидком состоянии.	ABC пластик, поликарбонат	Конструк-ционные термопласты	Крахмально-целюлозный порошок, клей на водной основе	Бумага, алюминиевая фольга
Компания	3D systems Exone Company, EOS GmbH	3Dsystem, Институт проблем лазерных технологий РАН.	Stratasys Inc.	3D systems, Solidscape inc,Object Geometries LTD	Z corporation	Helisys Inc

Таблица 1. Технологии печати.

По типу потребителя принтеры 3D-печати делятся на 3 вида: персональные, коммерческие и промышленные.

Персональные принтеры.

Домашние или персональные принтеры стоят относительно недорого (от 600$ до 3 500$). Однако, купив за 670$ MBot Printer Kit , покупатель получит принтер, который ему придется собирать самостоятельно, досконально изучая всю начинку устройства трехмерной печати.

Чаще всего персональные принтеры работают используя FDM технологию, имеют рабочую панель, управляются установленным на принтере программным обеспечением, поддерживают USB, WI-FI или SD интерфейсы.

Данные модели пользуются спросом у дизайнеров, занимающихся моделированием или у владельцев малого бизнеса, где часто требуется возможность быстрого воссоздания реальных моделей. Для серийного производства данные принтеры не пригодны, однако они идеально подходят для эффективного использования в домашних условиях. По мнению Кристофера Барнатта, автор книги «3D-печать: Новая индустриальная революция», лучшим персональным принтером является флагман компании 3DSystem, модель Cube.

В таблице 2 приведены характеристики нескольких персональных 3D принтеров.

Принтер
Модель	3DSystem Cube	Makerbot Replikator 2X	3DSystem CubeX Trio
Кол-во экструдеров	1	2	3
Материал	ABS, PLA	ABS	ABS,PLA
Технология печати	FDM	FDM	FDM
Цвета	16	2	18
Область печати	140x140x140mm	250x160x150mm	275x265x240
Масса принтера	9,5 kg	17,8 kg	37 kg
габариты	260x260x340mm	490x320x531mm	515x515x598mm
Загрузка моделей	WIFI,USB	USB,Sd	WIFI,USB
ПО	Cube software( Windows/Mac)	MakerBot MakerWare	Cube software( Windows/Mac)
Цена	$1399.00	$2799.00	$2799.00

Таблица 2. Персональные 3D принтеры.

Данные модели активно продаются за рубежом, но в России они пока не получили широкого распространения из-за высокиой стоимости. В нашей стране популярны продукты компаний Ultimaker, Stratasys, MBOT, 3Dsystems, Picaso-3D. Последняя, является разработкой наших соотечественников.

Модель Picaso-3D. Designer доступна по цене $2 880 и обладает следующими характеристиками:

Область печати – 200 × 200 × 210 ММ
Скорость печати – До 30 см/ч
Требования по мощности – 0,5 кВт
Толщина слоя – 0,05 мм
Габаритные размеры – 365 × 386 × 452 ММ
Вес – 11 кг
Совместимость с ОС – Windows
Расходные материалы – пластики ABS и PLA.

На Диаграмме 1 показаны рыночные доли производителей персональных 3D-принтеров на российском рынке, на Диаграмме 2- рыночные доли популярных моделей.

Диаграмма 1. Рыночные доли производителей 3D принтеров:

Диаграмма 2. Рыночные доли популярных моделей персональных 3D принтеров.

Как видно из диаграммы, первое место по продажам занимает модель Ultimaker 1, второе место принадлежит известному принтеру Reprap, популярному благодаря умению печатать свои же детали, замыкает тройку лидеров брат Replicator 2x, описание которого можно увидеть в таблице 2. Принтер Cube X оказался на 14-м месте, скорее всего из-за цены.

Выводы: Рынок персональных 3D-принтеров велик, они пользуется спросом среди владельцев малого бизнеса и в домашней среде. Потенциальными пользователями могут быть инженеры, архитекторы, конструкторы, и конечно, экспериментаторы умеющие создавать трехмерные модели в программной среде и желающие получить реальный объект своих фантазий в качестве игрушки. Для более сложных задач есть другой вид устройств. Их мы сейчас и рассмотрим.

Коммерческие 3D-принтеры.

Коммерческие принтеры кардинально отличаются от персональных. Такие принтеры более приближенны к промышленным, они больше подходят для офисов компаний, деятельность которых связанна с моделированием, например автомобилестроительных. Коммерческие принтеры давно используют в институтах и научных лабораториях, где они быстро и качественно совершают кропотливую работу по моделированию различных объектов, включая составные части скелета человека или различных механизмов. На данном этапе развития технологии печати, не всегда возможно создать рабочие детали, скорее создаются модели, по отпечаткам которых позже льют металлические изделия. Качество изделий, полученных с помощью коммерческих принтеров, на порядок выше чем с помощью персональных, но и цена соответственна ($15 000 - $80 000). Дорогие виды принтеров идеально подходят для создания прототипов, температуроустойчивых моделей, образцов для дальнейшего серийного производства. Лидирующей на наших просторах является компания 3Dsystem. Предоставляя качественные и относительно не дорогие 3D-принтеры на территорию России, эта компания завоевала офисы и лаборатории больших предприятий.

Более подробно о принтерах подобного типа остановимся на примере продукта компании 3Dsystem, ProJet ® 6000 HD.

Рисунок 1. Коммерческий принтер ProJet ® 6000 HD.

В основе его работы лежит SLA технология, разработанная самой компанией, она предусматривает использование таких материалом как VisiJet SL Flex и Jewel (фотополимеры). Projet создает гладкие жаро- и удароустойчивые модели с идеальным контуром, благодаря использования лазера. Общие характеристики моделей зависят от ипользуемого вида фотополимеров, разнообразие которых весьма велико. Модели могут быть разных цветов, полупрозрачными, устойчивыми к огню и ударам, а также обладать некоторыми субъективными качествами необходимыми заказчику. Доступны 3 вида режима печати: HD - высокая четкость, UHD - сверхвысокая четкость, XHD - максимальная четкость.

Японская компания Mitsubishi сделала небольшой прорыв в области 3D-печати. Изобретя первый в мире коммерческий принтер использующий сразу две технологии: лазерного спекания метала (3D SLS) и высокоскоростной фрезеровки. Это позволяет производить рабочие пресс-формы из металла, со скоростью на 60% быстрее обычных принтеров, а также уменьшить количество отходов производства в половину. Раньше подобные масштабы работы были подвластны лишь громадным промышленным принтерам. На рисунке 2 показаны результаты работы принтера LUMEX Avance-25.

Рисунок 2. Результат работы принтера LUMEX Avance-25.

Такой уровень качества возможен благодаря точной работе лазера. На моделях нет излишков, вздутий, царапин и трещин. Кроме того, максимальная погрешность в нанесении слоя составляет ± 2.5 мкм.. Однако купить LUMEX Avance-25 в России довольно проблематично, только с января этого года он доступен на американском рынке.

Более дешёвым, легким, и простым материалом для пресс-форм, является силикон, его используют в случаях, когда к макетам не нужна прочность и долговечность Рисунок 3.

Рисунок 3. Силиконовые модели, полученные с помощью 3D печати.

Ярким представителем офисных принтеров является ZPrinter® 450. Он обладает действительно удивительными характеристиками.

Цвет: 180.000 цветов (2 печатающие головки)
Разрешение: 300 x 450 точек/дюйм
Полная автоматизация (настройка и самодиагностика, загрузка порошка, автоматическое удаление и повторное использование порошка, быстросъёмные картриджи со связующим составом, интуитивно понятная панель управления)
Вертикальная скорость построения объекта: 23 мм/час
Размер объекта: 203 x 254 x 203 мм
Используемые материалы: высококачественные композитные материалы
Толщина слоя: 0,089 – 0,102 мм
Количество сопел: 604

В линейке ZPrinter доступно еще 5 моделей, которые используют высококачественные композитные материалы. Изделия могут подвергаться шлифованию, сверлению, секционированию, раскраске и нанесению гальванического покрытия. компанией, гарантируют универсальность свойств продуктов печатания.

Выводы: Коммерческие 3D-принтеры являются незаменимым устройством для бизнеса и предприятий мелкого и среднего масштабов. Они имеют набор функций, благодаря которым способны в короткие сроки справляться с кропотливой и точной работой. Подходят для проектирования, создания прототипов, пресс-форм, моделей высокой точности, имеют возможность подбора материала для конкретных характеристик изделий, автоматизированы и удобны.

Промышленные 3D-принтеры

Подобные устройства можно охарактеризовать метафорой «Фабрика в офисе». Они используют технологию SLS(лазерное спекание порошков). Имеется возможность использования различных порошковых металлов таких, как: нержавеющая сталь, сплава инконель, кобальт-хром и подобных. Продукты принтера могут быть использованы, как функциональная деталь или пресс-форма определенного вида. Главная задача – выбрать правильный металл, конечный продукт спекания которого будет соответствовать нужным характеристикам и задачам. Не откидывается и возможность применения пластиковых порошков, но после их производства над ними необходимо будет провести еще несколько процедур. Например, обработать расплавленным парафином для большей прочности.

Промышленные 3D-принтеры наиболее распространены в медицине и аэрокосмической отраслях. Благодаря тому, что при печати, спекание порошков происходит в вакууме, химический состав металла остается неизмененным, а значит мы металл в моделях остаётся без примесей и ненужных добавок из окружающей среды. Именно это свойство поспособствовало распространению принтеров в медицине, для нужд которой, изготавливают высококачественные имплантаты любой сложности и размеров. На рисунке 4 показаны модели коленных суставов пластины на череп.

Рисунок 4. Модели коленных суставов пластины на череп

Принтер Arcam Q20, от компании Arcam AB, специализируется на построение деталей для авиапромышленности. Изготавливает лопасти, узлы, связующие компоненты из металла в частности из титана. Цена таких устройств варьируется от $300 000 до $1 000 000.

Корпорация Halliburton является одним из двигателей прогресса печатания. Она уже использовала печать для создания некого оборудования для нефтяной промышленности, а в будущем планирует инвестировать 100 миллионов долларов в разработку технологии. Качество распечатанных деталей высоко, именно это и необходимо Halliburton в процессе бурения при сложных условиях в Арктике и на дне Мирового океана. При создании оборудования стандартным образом, приходится сваривать детали вручную, или автоматически, однако при печати швов не остается, что весомо влияет на прочность деталей. И конечно, при создании моделей важна скорость. Промышленные принтеры не уступают традиционным технологиям литья, а в некоторых случаях даже обгоняют их.

В качестве примера возьмем модель EOSINT P 760

Рабочий объем -700 мм х 380 мм х 580 мм
Скорость печати (зависит от материала)-до 32 мм / ч
Толщина слоя – от 0.06 мм до 0.18 мм
Тип лазера - CO 2 , 2 х 50 Вт
Точная оптика - F-тета-объектив
Скорость сканирования во время сборки - до 2 х 6 м / сек
Потребляемая мощность - максимальная 12 кВт / типичная 3.1 кВт
Генератор азота - интегрированный
Размеры (Ш х Г х В) - -2250 мм х 1155 мм х 2100 мм (88,6 х 61 х 82,7 в)
Вес - 2, 300 кг (5071 фунтов)
ПК: текущая система Windows
Программное обеспечение: EOS RP Tools; Magics RP (Materialise)
Входной формат: STL; Опционально: конвертер из основных форматов CAD
Сеть: Ethernet

Рисунок 5. Промышленный принтер EOSINT P 760

Модель EOSINT P 760 интересна тем, что её уже используют для создания Беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), на строительство которого ушло меньше месяца времени. Также принтер использовался для печати детали гоночной машины команды "Uni Stuttgart", а именно подвески для колес, ведущего вала и аккумуляторного отсека. В 2012 году команда одержала победу на Hockenheimring.

Выводы: Промышленные принтеры предоставляют широкий спектр изделий, которые используются в авиации, медицине, добыче полезных ископаемых, двигателестроении, изготовлении пресс-форм. Имеют набор функций позволяющий создавать даже самые сложные модели и детали. Прогрессивные технологии аддитивного производства улучшают характеристики и свойства деталей, позволяют выбирать будущие свойства моделей. Принтеры стали незаменимыми помощниками профессионалам, чья скорость работы увеличивается в разы.

3D-сканеры

3D-принтеры распечатывают модели, созданные благодаря различным программам. Сканер выполняет обратную задачу. Имея предмет, у вас есть возможность получить его модель в программе. И далее ваши возможности ограничены только вашим воображением.

Рисунок 5. Виды 3-D сканеров.

На рисунке 5 показаны виды 3-D сканеров. Контактные 3D-сканеры исследуют объект непосредственно через физический контакт, бесконтактные – без контакта. Пассивные не посылают лучей на объект, а воспринимают отразившийся от него свет. Активные, наоборот, посылают лучи и воспринимают их же.

Сканеры используются для самых различных задач. Использование лазерной оптики позволяет сканировать предметы размером с чашку и с самолет с одинаковым результатом. Лазерный дальномер проецирует лазерный луч на объект и воспринимает его отражение, далее программа собирает все отражения воедино, получая готовую модель сканируемого предмета. Это самый удобный и распространенный вид сканирования, ведь он не требует особо оборудованных помещений с точным и ровным светом, не требует физического контакта. Согласитесь, было бы проблематично отсканировать дом или даже машину. Для уточнения параметров сканирования на предмет не редко наклеивают специальные наклейки, они особо отражают свет и способствуют увеличению точности.

Области применения у 3D-сканера не меньше чем у 3D-принтера. Они нашли применение в киноиндустрии. Особо пользуются популярностью у археологов, т.к. позволяют перенести данные на компьютер и создать модель, не повредив экземпляр ( Рисунок 6).

Рисунок 6. 3D сканеры на службе кинематографа.

Так же свое применение 3D сканеры нашли в индустрии компьютерных игр. Они используются для создания современных автомобильных и гоночных симуляторов, а так же в играх, действие которых происходит в реальной местности.

3D-сканирование используется и в медицине. Швейцарский врач отсканировал бедро пациента и распечатал на принтере его идентичную модель, после чего вживил ее в организм пострадавшего. Отсканированный кусок идеально подошел пациенту.

В строительстве всегда важно знать точность соблюдения пропорций и размеров, в этом тоже помогают 3D-сканеры. В машиностроении они используются не меньше. Точность размеров всегда остается под вниманием инженера. Безусловно, сканеры также применяются в научных исследованиях.

К средней ценовой группе принадлежат сканеры со стоимостью $10 000 -$15 000. Для 3D-сканеров это весьма демократическая цена. А вот для среднестатистического покупателя вряд ли. «Продвинутые» сканеры будут продаваться по цене от $20 000-$40 000 и достигать границы в $100 000.

ZScannerTM 800 – отличный принтер доступный на рынке России и Европы. Сочетает в себе удобство, практичность, многозадачность, высокое качество и универсальность и мобильность.

Рисунок 7. ZScannerTM 800.

Технические характеристики ZScannerTM 800:

Вес:	1,25 кг
Размер сканера:	171 x 260 x 216 мм
Скорость сканирования:	25 000 замеров / сек
Класс лазера:	II (безопасен для глаз)
Разрешение по X,Y,Z:	50 мкм
Точность:	До 40 мкм
ISO:	20 µm + 0.1 L / 1000
Формат файлов:	.STL, RAW

Artec TDSS-1.1 еще один популярный на рынке сканер, его цена составляет $14 000, характеристики:

Вес	1.4 кг
Габариты (В)	180 см
Габариты (Ш)	160 см
Габариты (Г)	187 см
Форматы файлов	.ply, .obj, .stl, .wrml
Интерфейс	USB 2.0
Рабочая дистанция (мин)	0.4 м
Рабочая дистанция (макс)	1.0 м
Поле зрения	30x21° HxW
Частота съемки (макс)	15 fps

Вместо использования лазеров, Artec TDSS-1.1 применяет вспышки света, которые сам же и отправляет на объект. Можно получить модель человека за пару минут.

Подобные сканеры пользуются популярностью у архитекторов, археологов, дизайнеров, инженеров, создателей игр, аниматоров.

Выводы: 3D-сканеры позволяют упрощать процесс сбора, обработки, упорядочивания информации. Используются в огромном количестве отраслей, начиная от аграрного дела, заканчивая медициной и авиастроением. Дают начало многим другим технологиям таким как, сканирование лица человека с дальнейшей обработкой информации о нем. Доступен большой модельный ряд сканеров, с самыми различными характеристиками и ценами.

Список использованных ресурсов для создания статьи:
www.3dsystems.com – сайт компании 3dsystems.
www.arcam.com - сайт компании Аrcam.
www.makerbot.com - cайт компании Makerbot
http://3dtoday.ru/
https://www.eos.info/en - сайт компании EOS
http://3dprinter.org.ua/