3DP расшифровывается как Three-Dimensional Printing, и переводиться как трехмерная печать.Данная технология является одной из разновидностей систем аддитивного построения изделия по его CAD-модели и отличается от многочисленных схожих схем тем, что процесс осуществляется по принципу обычного принтера – через сопла печатающих головок.Таким образом, струйная трехмерная печать представляет собой естественное продолжение развития технологий обычной 2D-печати. На сегодняшний день она достигла достаточно хороших результатов, например, таких как цветная печать.

Изделия, напечатанные на цветном 3D принтере Z Corp’s Spectrum Z510

История появления и развития 3DP

Впервые идею реализации оборудования, использующего эту схему печати, предложили два студента Массачусетского технологического института Тим Андерсон и Джим Бредт в 1993 году. Именно благодаря им термин 3D-печать распространился по всему миру. И это вполне справедливо, ведь первая модель устройства представляла собой модификацию обычного 2D-принтера. Он использовал вместо чернил специальный клеящий состав, который слой за слоем наносил на поверхность связываемого вещества границы будущего трехмерного изделия.

В 1995 году Тим и Джим организовали фирму Z Corporation, которая и вывела на рынок данную технологию, усовершенствовав ее до такой степени, что в 2012 году ее пожелала вместе с фирмой приобрести корпорация 3D systems. Под ее брендом бывшие модели Z Corporation сегодня продаются по всему миру.

Одним из направлений компании ExOne (США) является выпуск 3D-принтеров, которые используют эту же технологию. Эта фирма была основана в 2005 году как дочерняя организация корпорации Extrude Hone Corporation. Используя патенты, полученные Андерсоном и Бедтом, они наладили выпуск линейки принтеров, которые сегодня печатают даже металлические изделия.

Технология струйной трехмерной печати

Сегодня специалисты насчитывают более тридцати технологий 3D-печати, которые в том или ином аспекте дублируют друг друга, хотя каждая имеет свои особенности. Американское общество по испытанию материалов (ASTM International) разделило технологии струйной трехмерной печати на две категории:

• Material jetting – разбрызгивание материала.
• Binder jetting – разбрызгивание связующего.

В первом случае через сопла подается непосредственно сам строительный материал, который после нанесения отвердевает. Во втором – на тонкий слой гипсового, полимерного или металлического порошка разбрызгивается клеящее вещество. Технология 3DP в своем изначальном виде представляла именно второй способ.

Если рассмотреть ее подробнее, то печать происходит следующим способом:

Камера построения 3D-принтера состоит из двух частей: в первой находится материал, из которого будет «выращваться» модель, во второй – происходит сам процесс, а именно:

• Для начала в компьютер, подсоединенный посредством Ethernet–кабеля к принтеру, загружается CAD-модель, которая «нарезается» на слои, толщиной около 0,1 мм.
• Далее, на специальную платформу роликом наносится слой тонкий слой порошкообразного материала (гипс, полимеры, песок, металл).
• С помощью печатающей головки происходит распыление связующего вещества (клей, вода, специальная смесь) по координатам границ первого слоя, полученным с компьютера.
• После этого платформа с моделью опускается на толщину слоя вниз, а камера со строительным веществом на такое же расстояние вверх.
• Далее, ролик раскатывает следующий слой и процесс повторяется.
• После окончания 3D-печати изделие извлекают из слоя порошка и тщательно очищают от его остатков.

При изготовлении моделей из металлического порошка добавляется процесс обжига в специальной печи. Рассмотрим подробнее этот процесс.

На рисунке выше изображены 4 стадии его стадии:

• Вначале по вышеописанной схеме формируется, так называема, «зеленая модель» из матричного порошка и связующего вещества (1,2).
• Далее, изделие помещают в печь, наполненной защитным газом, обычно азотом.
• При повышении температуры до 1000-1100 градусов связующее вещество удаляется, а свободное место вокруг частичек порошка пропитывает бронза (или другой металл) предварительно помещенный рядом с «зеленой» моделью. Этот процесс называется инфильтрация.

Используемые материалы для 3DP печати и их стоимость

При 3D-печати традиционно использовался гипс, а роль связующего вещества в этом случае играла вода. Однако технологии шагнули вперед и как ясно из предыдущего раздела теперь также используют металлы (бронза, медь), песчаные и полимерные смеси. В связующее вещество подмешиваются красители благодаря чему на таком 3D-принтере становится возможным осуществлять цветную печать.

Стоимость простейших порошков составляет в среднем 600-700 евро за ведро 10 кг (8200 см куб.), цена связующего вещества около 660 евро за 3,8 л.

Характеристики готовых изделий и их применение

Модели, изготовленные из гипса и полимеров, обладают не слишком высокой прочностью для того, чтобы использовать их в производственном цикле, как пресс-форму, однако, вполне подойдет для быстрой визуализации прототипов различных деталей и изделий. Также она может применяться в различных архитектурных и проектных работах или при изготовлении сувениров.

Изделия с использованием металлов обладают лучшими свойствами, однако, их прочность все еще остается на среднем уровне: прочность на растяжение 610 МПа, твердость HRC =10-20.
Такие характеристики вполне подойдут для изготовления пресс-форм для литья пластмасс, которые могут выдержать от 200 до 500 тыс. производственных циклов. Также их используют для изготовления деталей, которые работают в условиях трения – валы, втулки, зубчатые передачи и т. д.

Недостатки

• Изделия на гипсовой основе довольно хрупкие и могут использоваться только в узкой сфере деятельности. В качестве пресс-формы могут быть использованы только один раз, после чего разрушаются.
• При работе с гипсовыми порошками возникает много пыли, поэтому нужна хорошая вытяжка.

Преимущества

• Высокая скорость построения деталей – около 6 мм по высоте в час, при размере рабочей зоны 780 х 400 мм это составит 1780 см куб., что на порядок превосходи лазерные технологии быстрого прототипирования.
• Сравнительно небольшая стоимость расходных материалов.

Компания ExOne предлагает следующие модели 3D-принтеров:

Модель принтера M-Flex от компании ExOne.

Итоги

Принтеры, использующие технологию струйной трехмерной печати это одно из возможных решений по реализации задачи быстрого прототипирования. Следует отметить, что несмотря на некоторые недостатки она все же нашла сегодня место на рынке и продолжает активно развиваться наряду с множеством своих конкурентов.

---