Знаменитый 3D-принтер для многих сегодня остаётся настоящей terra incognita. Старший научный сотрудник центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Азамат Хаширов рассказывает, что же, по сути, представляет собой это загадочное для многих устройство.
– Вокруг нас множество самых разных изделий из различных материалов. Способов изготавливать эти предметы существует много. 3D-печать – один из них. С помощью 3D-печати можно слой за слоем создавать изделия по их виртуальным моделям. Существует три самых распространённых вида такой печати.
Первый способ (самый распространённый и бюджетный) – нанесение расплавленной пластиковой нити слой за слоем. Печатающая головка 3D-принтера выдавливает на платформу разогретый пластик. Выдавленный в виде тонкой нити расплав укладывается в принтере на специальной платформе и формирует слои изделия в соответствии со специально разработанной моделью.
Эту модель предварительно необходимо изготовить в цифровом виде. Её можно нарисовать на компьютере самостоятельно, для этого существуют специальные программы. Можно скачать уже готовую модель из интернета, если изделие, которое вы хотите получить, достаточно распространённое и его модель есть в сети. Эта модель сохраняется в цифровом виде в определённом формате. Форматы для таких моделей специальные, как, скажем, формат МР3 для музыкальных файлов. Модель подготавливаются к печати: делится на слои, выбираются высота слоя, ширина нитей расплава и прочие параметры. Для этого нужны специальные компьютерные программы – так называемые «слайсеры». Затем готовую к печати модель в виде файла на флешке либо через интернет-кабель отправляют в рабочий компьютер 3D-принтера. Оператор принтера выбирает материал, из которого будет распечатано будущее изделие, и температуру, при которой будет работать принтер.
Принтер представляет собой станок с рабочей камерой внутри. В него загружается катушка с пластиковой нитью. Платформа, на которой и происходит формирование изделия, расположена па «полу» рабочей камеры принтера, печатающая головка – на её «потолке». В неё подаётся пластиковая нить: там она раскаляется и по расположенному на головке направляющему соплу стекает на поверхность рабочей платформы. Там и формуется изделие. Программа, образно выражаясь, водит печатающей головкой, как кистью художника, подавая раскалённый пластик в точном соответствии с параметрами модели и наплавляя его слой за слоем. Таким образом, изделие как бы рисуется раскалённым пластиком и растёт на платформе, как скульптура, снизу вверх. По мере того как изделие становится выше, платформа, на которой оно расположено, опускается ниже. И так – до полной готовности изделия. Когда работа закончена, дверца рабочей камеры открывается, и оператор извлекает готовое изделие.
Если форма изделия сложная и имеет расположенные на весу поверхности, необходим так называемый «материал поддержки», играющий роль каркаса будущей модели. Он создаётся принтером одновременно с основным изделием, только из другого материала и по завершении работы отделяется от него. Для таких изделий нужны принтеры, снабжённые печатающей головкой с двумя соплами: из одного подаётся пластиковая нить для основной модели, из второго – для материала поддержки. Такие принтеры дороже, поскольку позволяют изготавливать изделия более сложной формы.
Существуют принтеры, которые изготавливают изделия аналогичным образом, но из металла. Есть и такие, где вместо нити используется порошок материала. Там будущее изделие не вырастает подобно скульптуре. Порошок помещается на поверхность платформы в рабочей камере и спекается лазером, нацеливаемым программой в соответствии с параметрами модели. Этот способ удобнее, поскольку здесь не нужен «материал поддержки». Однако такое сырьё дороже, да и лазер – недешевое устройство, поэтому сами принтеры с лазером на борту стоят значительно дороже, чем наплавляющие расплавленную нить.
Ещё один из самых распространённых видов 3D-печати – фотополимерная. Этот метод используют в качестве «строительного материала» не порошки или пластиковые нити, а так называемые фотополимерные смолы – светочувствительные вещества, затвердевающие под воздействием ультрафиолетового света. Эти материалы в жидком состоянии помещаются в ёмкость принтера, затем лазер, направляемый программой опять-таки в соответствии с нашей моделью, «засвечивает» нужные участки, которые в результате затвердевают.
3D-печать называют также аддитивными технологиями: от английского add – добавлять. То есть изделия формируются не путём удаления лишнего материала, как при фрезеровании, например, а добавлением нового с нуля. Это принцип, объединяющий все виды 3D-печати.
Однако важно понимать, что 3D-печать не заменит традиционные методы получения изделий, которые нас окружают, а именно – фрезеровку, литьё под давлением и другие методы. 3D-печать удобна, если вам необходимо получить либо небольшую партию каких-то изделий, вместо того чтобы изготавливать дорогостоящую оснастку для литья, либо изделие уникальной формы, изготовить которое обычным способом невозможно. И ещё один несомненный плюс 3D-печати – прототипирование, то есть возможность изготовить некий «черновой» вариант нового изделия, испытать его и выявить возможные недостатки перед тем как запускать изделие в массовое производство.
В нашем центре (тогда он ещё назывался научно-образовательный центр «Полимеры и композиты») исследования по данной тематике начались с проекта по разработке тугоплавких материалов для 3D-печати, поддержанного Фондом перспективных исследований. На полученные от фонда средства был приобретён один из лучших принтеров, работающий по принципу нанесения расплава нити, и началось «погружение» в тему. В результате сегодня он преобразован в центр прогрессивных материалов и аддитивных технологий, где мы разрабатываем материалы для 3D-печати, исследуем их свойства и делаем изделия из разработанных суперконструкционных полимеров.
