Мечта Микеланджело

Впервые о «принтерах твердотельных объектов» (или 3D-принтерах) заговорили в середине 1990-х годов. К тому времени конкуренция в мировой экономике достигла столь высокого уровня, что потребители начали буквально диктовать свои условия производителям. Одинаковые вещи – к примеру, машины или часы – перестали продаваться миллионами штук. Оптимальной стала партия «ширпотребовских» изделий в сто тысяч или даже несколько десятков тысяч экземпляров. Настала пора мелкосерийного производства. Однако предприятия столкнулись с тем, что изготовление прототипов, лекал, различных форм, необходимых для выпуска готовой продукции, становится слишком дорогим. При миллионной партии цена лекала раскладывается на всю продукцию и составляет незначительную часть общей стоимости. Если же изделий всего несколько тысяч, то традиционный способ разработки и создания формы не позволял сохранять конкурентоспособную цену. Тогда-то и начался бум устройств для изготовления прототипов. Часть из этих станков так и осталась в производственном секторе, но от них протянулась эволюционная ветка, которая привела к появлению офисных 3D-принтеров. Как и у промышленных систем прототипирования, предназначение этих устройств состоит в быстром изготовлении образцов, позволяющих увидеть, как вещь будет выглядеть в материале. На модели можно проводить различные тесты перед тем, как будет создан окончательный вариант изделия. Подчас прототипы представляют поистине уникальные возможности для исследования. Например, компания Porsche использовала прозрачную пластиковую модель трансмиссии автомобиля 911 GTI для изучения тока масла. Прозрачная пластмасса позволяла визуально следить за тем, что происходит с маслом, и вносить необходимые изменения в конструкцию трансмиссии.

Принтер, который «печатает» такие модели, решает одну важную проблему: он экономит время на реализацию идеи. Путь от образа, появившегося в голове инженера, до создания прототипа сократился в несколько раз. В условиях конкурентной борьбы между автомобилестроительными гигантами выигрыш времени в несколько недель означает опережающий выход новинки и возможность снять сливки с рынка.

Кроме изготовления прототипов «принтеры твердотельных объектов» используются для быстрого малосерийного производства.

Восковая печать

Образ будущей модели обычно задается в программе CAD (Computer-Aided Design – автоматизированное проектирование), которая и управляет процессом печати. Создав виртуальный объект на экране монитора, конструктор нажимает клавишу «печать» – и менее чем через час уже может держать в руках еще теплую модель изделия.

Существует несколько систем создания объемных предметов. Аппарат распыляет мельчайшие капли, как обычный струйный принтер, или наносит материал слой за слоем, а затем выжигает контуры прототипа лазерным лучом. Например, устройство Actua 2100 (3D Systems) для обработки специального термополимерного материала, из которого изготавливается модель, использует струйную технологию, или многоструйное моделирование. Материал похож на твердый воск. Он накладывается слоями, толщина которых составляет 0,04 мм с разрешением 300 точек на дюйм.

Машина Z 402, которую выпускает компания Z Corporation, напротив, распределяет слой порошка по поверхности рабочей емкости. В качестве строительного материала используется специальный крахмально-целлюлозный порошок. Жидкий клей на водяной основе, поступая из 128-струйной головки, связывает частицы порошка, формируя контур одного сечения модели. Затем рабочая емкость опускается на толщину одного слоя. По всему объему емкости, в том числе и по предыдущему слою, распределяется новый слой порошка, головка очерчивает контур следующего сечения и т.д. После построения модели излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности изделия имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Это устройство считается наиболее высокоскоростным. На производство одной детали, в зависимости от сложности формы, уходит от нескольких минут до нескольких часов.

Первые системы изготовления прототипов были громоздки, занимали много места и требовали производственных помещений: они действительно могли разместиться только в заводских цехах. Но прогресс, подталкиваемый спросом, быстро превратил промышленные станки в офисную оргтехнику. Теперь 3D-принтеры внешне схожи со скоростными копировальными аппаратами или многофункциональными устройствами. Например, принтеры Objet Quadra, которые производит израильская фирма Objet Geometries, не требовательны к рабочему помещению и квалификации обслуживающего персонала. Установка подключается к локальной сети, по которой в нее передаются данные из CAD-программы. Компьютерная 3D-модель послойно печатается специальной струйной головкой, содержащей 1536 сопел. При этом тело модели печатается основным материалом, а вспомогательные элементы – другим, менее прочным и более рыхлым. Оба материала освещаются ультрафиолетовыми лампами для ускорения процесса отвердевания. После печати каждого слоя рабочая поверхность, на которой «выращивается» модель, опускается на толщину слоя. В конце процесса ненужные элементы модели вымываются струей воды.

Модель в бронзе

Существует еще одна группа устройств, претендующих на звание 3D-принтеров, не имеющих с ними при этом почти ничего общего. Это компактные настольные станки, которые получили название desktop CNC machines (CNC, computer numerically controlled – станок с числовым программным управлением). CNC-станки делятся на три основных вида: фрезерные, токарные и роутеры. Области применения этих станков существенно шире. Их можно использовать как для непосредственного изготовления объектов по трехмерным моделям, так и для подготовки форм для литья.

CNC desktop работает практически с любыми материалами – от пластика и дерева до мягких металлов (бронза, алюминий). Он подключается к компьютеру как обыкновенный принтер, а управляется одной из CADовских программ. Получив задание, он сам может вырезать, выпиливать и высверливать в заложенном в него материале. Сверлильно-фрезерный станок способен позиционировать внутренний рабочий инструмент с точностью до сотых долей миллиметра. Цена этого станка – чуть меньше $2000.

Другой пример подобных устройств – линейка станков MDX от компании Roland. Старшие модели предназначены для полупромышленного использования и стоят в районе $20 000. А вот станок MDX-15 оценивается примерно в $3000, и его уже вполне можно отнести к категории офисной техники. А еще недавно стоимость устройств, исполняющих подобные задачи, доходила до $50 000. Roland поставляет к своим станкам и специальную пьезоэлектрическую сканирующую головку, которая может делать обратное преобразование, то есть переводить реальные предметы в компьютерные трехмерные модели.

Средний размер изделия, который могут выпустить 3D-принтеры, представляет собой куб с гранями около 20 см. К недостаткам офисных твердотельных принтеров относится невозможность добиться высокой точности и прочности готового прототипа. Однако полученная модель дает вполне четкое представление о том, как будет выглядеть разрабатываемое изделие.

Дмитрий Олишевский
06.12.2004  журнал Компания