Сотворение из порошка
Технология селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, SLS) отличается от стереолитографии тем, что объект создается не в жидкой, а в порошковой среде. Подвижный картридж насыпает на горизонтальную платформу тонкий слой мелкодисперсного порошка, а мощный лазер сканирует соответствующее сечение объекта, вызывая размягчение и спекание частиц. Затем из картриджа укладывается новый слой порошка. По окончании синтеза незадействованный порошок можно использовать повторно. Достоинство этого метода состоит в том, что для формирования нависающих элементов не нужны поддерживающие элементы, поскольку изделие покоится в порошковой среде.
Метод запатентовал в октябре 1986 года студент-магистрант Техасского университета Карл Декард (Carl Deckard). В своей разработке он отталкивался от предложенного в 1971 году французом Пьером Сиро (Pierre Ciraud) порошкового процесса, в котором частицы постоянно подаются в зону работы лазеров. Первая коммерчески успешная машина Sinterstation 2000, появившаяся в 1992 году, создавала из воска или поликарбоната объекты диаметром до 305 миллиметров и длиной до 410 миллиметров. Современные установки подобного типа используют также поливинилхлорид, нейлон, керамику и даже металл — главное, чтобы вязкость вещества уменьшалась при нагреве. В некоторых моделях вместо лазера применяется тонкий пучок электронов или плазмы.
Модели будущих углеродно-волоконных офисных зданий, изготовленные методом селективного лазерного спекания
Серьезный недостаток лазерного спекания — необходимость вести процесс в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе. В новом комплексе Sinterstation Pro компании 3D Systems, способном создавать детали размером более полуметра (максимум 550х550х750 мм), все процедуры осуществляются автоматически, а необходимый для создания инертной среды азот выделяется из окружающего воздуха. Стоит такая установка свыше миллиона долларов.
Немецкая компания EOS достигла больших успехов в синтезе металлических изделий. Одно из последних достижений — фаббер EOSINT M 270, работающий с порошками бронзы и инструментальной стали. Со скоростью от 7 до 70 см3 в час он формирует из них детали размером до 250х250х215 миллиметров.В планах заявлена работа с пудрой из титановых и хром-кобальтовых сплавов. Погрешность производства не превышает 50 микрон, а шероховатость поверхностей менее 9 микрон. Причем полученные детали имеют прочность на разрыв до 1,1 гигапаскаля — всего вдвое меньше, чем стальные, и на порядок больше, чем у продукции самых первых фабрикаторов. И все же спеканием порошка не достичь прочности монолитного материала. На помощь приходит родственный процесс селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM), продвигаемый на рынок англий
ской компанией MCP Tooling Technologies. В нем металлические частицы полностью расплавляются под воздействием лазерного излучения, что обеспечивает высокую плотность структуры изделий. Расплачиваться за это приходится снижением скорости и точности синтеза. Фабрикатор MCP Realizer формирует за час всего около 10 см3 изделия с шероховатостью поверхности 10–30 микрон. Зато ассортимент материалов включает цинк, бронзу, сталь, титановые и хром-кобальтовые сплавы, золото, а в ближайших планах работа с алюминием и инструментальными сталями.
Рекордных размеров металлические изделия создают установки британской корпорации AeroMet, в которых используется технология аддитивного лазерного изготовления (Laser Additive Manufacturing, LAM). СО2-лазер мощностью 18 киловатт создает на поверхности заготовки локальный участок расплава, куда из отдельного контейнера подается разогретый металлический порошок. В отличие от ранее рассмотренных систем деталь по этой технологии формируется не в толще порошка, а путем постепенного наращивания на горизонтально расположенной платформе. Это позволяет синтезировать объекты размером 3,0х3,0х0,9 метра. Ведутся разработки системы, рассчитанной на габариты 6,0х2,4х2,7 метра. На уникальных установках от AeroMet создаются тонкостенные (до 0,5 миллиметра) крупногабаритные детали из титановых сплавов, рения и тантала для авиационной и космической отраслей промышленности, например сопла и части двигательных гондол.
Нарисуем дом бетоном
Система, изобретенная Берохом Хошневисом (Behrokh Khoshnevis) и развиваемая его компанией Contour Crafting, является типичным фаббером, только в качестве расходного материала в нем используется бетон, а ее назначение — строительство домов. По принципу действия он больше напоминает не принтер, а графопостроитель — «пишущая» бетоном головка раз за разом проходится по контуру стен, наращивая их высоту. Лабораторные прототипы уже работают и сооружают постройки размером до полутора метров со стенами любой формы, хоть кривыми, хоть наклонными. А когда будет создан полномасштабный робот на базе козлового крана, он по праву сможет считаться самым большим фаббером в мире. Занимаются подобными экспериментами и в России. Молодежный научно-технический центр, например, стал выпускать конструкторский набор «Кулибин» на базе координатного сервопривода, который может служить экспериментальным стендом для создания самодельных 3D-принтеров на базе разных материалов. Простейший вариант — использовать размолотые в кофемолке пластиковые отходы, которые спекаются выборочным точечным нагревом, например, с помощью паяльного фена. Эпоксидно-песчаный вариант использует послойную насыпку мелкого песка, на который дозированно подается разогретая эпоксидная смола. Аналогично работает суперклеевой, термоклеевой, жидкостеклянный и другие варианты фаббера. Позволяет конструктор создать и небольшой бетонный 3D-принтер, который смешивает мелко просеянный песок с цементом в пропорции примерно 3:1, а на слои этой смеси по команде с компьютера наносятся капли воды с добавлением «жидкого стекла». Создатели конструктора отмечают необходимость правильного сочетания материалов. Например, соль замечательно взаимодействует с суперклеем, а вот цемент с эпоксидкой — плохо.
С помощью фабберов можно создавать детали сложной формы — такие проблематично произвести на основе других технологий
Трехмерные принтеры
Но не стоит думать, что фабберы — это сугубо промышленное оборудование. Эти устройства отчетливо делятся на два класса. К первому, называемому иногда Rapid Manufacturing (системы быстрого производства), относят дорогие промышленные машины, о которых мы рассказали выше. Другой класс — Rapid Prototyping (системы быстрого прототипирования) — это небольшие, иногда настольные приборы, используемые в проектных отделах фирм для отработки дизайна и проведения моделирования в ходе конструкторских работ. Может такой цветной трехмерный принтер служить и другим задачам: создавать трехмерные модели молекул или медицинских имплантатов, строить наглядные представления результатов анализа механических и тепловых напряжений, и др. Специалисты уже считают подобные устройства стандартным инструментом в процессе разработки и совершенствования серийных промышленных изделий. Они позволяют в несколько раз сократить время и расходы на проектирование типичных бытовых приборов.
Наиболее активна на рынке устройств быстрого прототипирования американская Z Corporation. Ее 3D-принтеры вместо металла и лазеров оперируют нетоксичными порошковыми материалами на основе крахмала или гипса и водным связующим веществом. Узел печати разравнивает слой порошка толщиной от 0,076 до 0,254 миллиметра в зависимости от требуемой точности изготовления, а четыре 300-струйные печатающие головки (всего 1 200 форсунок) в соответствии с формой слоя наносят связующее вещество, склеивая частицы порошка друг с другом. Затем распределяется новый слой порошка, и процесс повторяется, пока деталь не будет напечатана полностью, после чего ее для повышения прочности и улучшения внешнего вида пропитывают воском, эпоксидной смолой, полиуретаном или различными клеевыми составами. Готовые изделия можно шлифовать, красить, сверлить. Z Corporation разработала даже специальный материал, позволяющий делать модели эластичными, как резина. Это сразу же заинтересовало предприятия, выпускающие обувь, гибкие трубы и другую эластомерную продукцию.
