Те, що мислимо, то можна здійснити.
Мао Дзедун
Ще зовсім недавно процес створення прототипу вироби був неймовірно тривалим - до декількох тижнів, а то і місяців, але прогрес ніхто не відміняв, і сьогодні технологія швидкого прототипування, або 3D-друку, дозволяє в найкоротші терміни створити зразки практично будь-яких об'єктів. Таке поняття, як цифрового прототип, отриманий шляхом проектування 3D-моделі в різних СAD-системах, зараз вже мало кого дивує.
Загальний принцип роботи таких пристроїв - побудова моделі по верствам. Отримана з 3D-CAD цифрова модель розбивається програмними засобами на тонкі плоскі шари і відправляється на принтер. Принтер будує, або, як ще кажуть, вирощує модель шар за шаром, поки вона повністю не буде закінчена. Таким чином, з технологічної точки зору різні RP-системи відрізняються в основному методом побудови плоского шару, використовуваним матеріалом і, звичайно, товщиною окремого шару.
Вважається, що всі RP-системи в тій чи іншій мірі використовують технологію адитивного синтезу - модель виходить складанням окремих шарів між собою. З цієї точки зору технологія мехобработки субстрактівна, оскільки при ній, щоб отримати кінцевий виріб, з заготовки видаляється зайвий матеріал. Звідси випливає одне з головних переваг систем швидкого прототипування - можливість побудови моделей з абсолютно довільною геометрією. Ми можемо розбити на шари модель абсолютно будь-якої форми, і, на відміну від мехобработки, час і вартість виготовлення будуть визначатися тільки розмірами моделі, а не її геометрією (рис. 1).
Принтери фірми Objet ідеально підходять для перевірки дизайну і конструкції виробів. Завдяки 16-мкм товщині шару, прототипи максимально наближені до комп'ютерної моделі, що дозволяє реально оцінити проектований виріб. Гладкі поверхні, висока точність (до декількох мікрон), мінімально можливі товщини елементів дозволяють швидко і просто отримати ідеальні прототипи майбутнього виробу.
Технологія тривимірного друку
Уявіть, що ви розробили тривимірну модель нового вироби, наприклад телевізійний пульт. Щоб його відтворити, раніше вам треба було б передати креслення з CAD-системи технологам, потім підготувати під потребам форму або іншу оснастку - лише після цього ви змогли б створити перший прототип вашого пульта. Завдяки сучасним технологіям 3D-прототипування, сьогодні досить перевести створену модель в потрібний формат, а потім відправити на друк, і вже через кілька годин ви отримаєте готовий прототип (рис. 2). У принтерах Objet застосовуються дві основні технології, розроблені компанією, - це PolyJet і PolyJet Matrix. Розглянемо кожну з цих технологій більш докладно.
Запатентована технологія PolyJet фірми Objet - це безлазерное вирощування моделі по верствам з акрилових фотополімерів, отверждаємих ультрафіолетом (рис. 3). Дана технологія побудована на базі останніх світових досягнень в області прецизійної механіки, електроніки, хімії фотополімерів і програмного забезпечення в області 3D. Відмітна особливість технології - побудова моделі з ультратонких шарів з товщиною всього 16 мкм. В процесі побудови кожен шар рідкого фотополімеру наноситься блоком друкуючих головок і моментально отверждается світлом УФ-лампи. Після цього лоток з моделлю опускається вниз на 16 мкм і наноситься наступний шар. Для заповнення пустот принтер використовує допоміжний матеріал підтримки, який після друку легко видаляється водою.
Матеріал для друку поставляється в герметичних картриджах, заміна яких не складніше, ніж в звичному принтері. Сам принтер підключається в звичайну комп'ютерну мережу, для підготовки лотка до друку і відправки його на друк застосовується програмне забезпечення Objet Studio з інтуїтивно зрозумілим інтерфейсом користувача.
Технологія PolyJet Matrix являє собою розвиток базової технології PolyJet. Її унікальність полягає в тому, що вона дозволяє принтеру використовувати два базових матеріалу при вирощуванні моделей (рис. 4). Застосовує цю технологію новітній принтер Connex 500 (рис. 5) може не тільки одночасно друкувати модель з різних матеріалів в різних її частинах, а й на льоту отримувати нові матеріали прямо в процесі друку. Система матеріалів Digital Material дозволяє конструктору задати для різних вузлів моделі матеріали з різними механічними властивостями, наприклад твердістю і міцністю. Ці матеріали виходять шляхом комбінації з двох базових, які знаходяться в картриджах принтера. В процесі друку принтер будує просторову решітку з двох базових матеріалів в обсязі моделі, що дозволяє отримувати композити з заданими властивостями. На даний момент Connex 500 є єдиним в світі рішенням в області 3D-друку, що дозволяє використовувати в одній моделі кілька матеріалів одночасно. Компанія Objet заслужено отримала за цей принтер кілька престижних нагород за технічну досконалість.
Якщо перейти від технології роботи апарату до питань його повсякденної експлуатації, то постає питання - якого масштабу саме устаткування, необхідні наступні документи для нього окреме приміщення і обслуговуючий персонал? В цьому плані лінійка 3D-принтерів компанії Objet дуже радує пропонованими можливостями. По-перше, самі апарати за розмірами можна порівняти зі звичайним письмовим столом, камера побудови тривимірної моделі ізольована, а це означає, що від апарата не виходить шкідливе випромінювання, герметичні картриджі з матеріалом також знаходяться всередині самого апарату - все це дозволяє використовувати даний 3D-принтер в звичайному офісі, без виділення додаткового приміщення. Оператор відправляє модель на друк, при необхідності змінює картриджі з матеріалом, знімає готову модель. В процесі друку втручання оператора не потрібно, принтер може працювати вночі, у вихідні та свята. Сам процес відправки на друк настільки простий, що з ним впорається будь-який співробітник, наприклад конструктор, який створив модель в 3D-CAD. Програмно принтер сумісний з будь-якою системою 3D-CAD в машинобудуванні.
Спектр застосування 3D-принтерів компанії Objet досить широкий, починаючи з медицини (трансплантологія і протезування, стоматологія, щелепно-лицьова хірургія (рис. 6)), дизайну, розробки упаковки, архітектури, машинобудування і закінчуючи ювелірним виробництвом (рис. 7). Якщо говорити про машинобудування, то можна виділити наступні напрямки.
Візуалізація, або концептуальне моделювання
Це один з найбільш поширених способів застосування будь-якого тривимірного принтера. Можливість швидко і легко перейти від моделі в 3D-CAD до прототипу, який можна тримати в руках, складно переоцінити. Завдяки технології PolyJet ви отримуєте моделі з відмінною якістю поверхні і прекрасною передачею дрібних деталей (рис. 8). У принтерах Objet можливе використання різних матеріалів, починаючи від напівпрозорого полімеру і поліпропілену, включаючи матові тверді матеріали різних кольорів, і закінчуючи еластичними матеріалами з великим коефіцієнтом деформації до розриву. Готові прототипи легко клеяться, фарбуються в будь-який колір, їх можна покривати тонким шаром нікелю або хрому методами гальваностегії або напилення під вакуумом. Прозорий матеріал можна фарбувати в обсязі. Все це дозволяє швидко отримати прототип, який не відрізнятиметься від кінцевого вироби не тільки з вигляду, але і на дотик. Ці можливості 3D-принтера широко використовуються для підготовки демонстраційних зразків для замовників і експонування на виставках.
Перевірка збирання
Завдяки чудовій якості побудови моделей і високої точності, прототипи, вирощені на 3D-принтерах Objet, дуже зручно використовувати для перевірки збирання нових виробів (рис. 9). Цифрова модель з комп'ютера відправляється прямо на принтер, вплив людського фактора при виготовленні прототипу зводиться до нуля. Отримавши через кілька годин готову модель, конструктор може бути впевнений, що якщо в ній будуть виявлені помилки, то це помилки, які вкрали при розробці, а не при виготовленні прототипу.
функціональне тестування
Це тестування прототипів в тих же умовах, в яких буде працювати кінцевий виріб. Кожне підприємство ставить різні завдання з тестування, тому виділити якісь загальні моменти дуже складно. З нашого досвіду, прототипи, вирощені на принтерах Objet, успішно тестуються з різними рідинами для вивчення гідродинамічних характеристик, продуваються в аеродинамічній трубі, а крім того, вирощуються прототипи складних антен, які покриваються металом, і потім вимірюються їх характеристики і т.д. Це дуже важливий напрямок використання прототипів, яке стає все більш затребуваним.
Безумовно, область застосування 3D-принтерів Objet не обмежується перерахованими вище напрямками. Як бути, якщо нам необхідний прототип або навіть мала серію випробувальних зразків для випробувань, виготовлених з металу або міцного термопластика? У цьому випадку нам допоможуть суміжні технології, що розширюють сферу застосування 3D-принтерів Objet.
Лиття в силікон
Останнім часом ця технологія набуває все більшої популярності. При необхідності отримання малої серії виливків з пластиків часто виготовляти металеву прес-форму нерентабельно, не кажучи вже про те, що це зазвичай займає багато часу. В цьому випадку виготовляється прототип на 3D-принтері. З цього прототипу знімається силіконова форма з використанням безусадочних прозорих двокомпонентних силіконів. Після отримання форми в неї заливаються під вакуумом поліуретанові смоли для отримання виливків. В даний час на ринку представлений досить широкий спектр двокомпонентних поліуретанових смол, механічні та фізико-температурні властивості яких дозволяють одержувати виливки, які не поступаються за властивостями термопластика. Висока якість виливків забезпечується дегазацією під вакуумом як самої форми при її виготовленні, так і виливків. Перевагою цієї технології є швидкість і помірна вартість отримання оснастки і самих виливків. Обмежуючим фактором тут є міцність силіконової форми, якої зазвичай вистачає на 10-20 виливків. Для цієї технології дуже важливо висока якість поверхні майстер-моделі, тому 3D-принтери Objet з їх якістю прототипів чудово тут підходять (рис. 10).
Інжекційне лиття низького тиску (RIM)
Відносно нова технологія, яка застосовується також для отримання виливків з пластика. В даному випадку на 3D-принтері виробляється не майстер-модель, а сама форма, в яку потім заливаються двокомпонентні поліуретанові смоли, у яких час застигання становить одну-дві хвилини. У зв'язку з коротким часом застигання дегазація не використовується. Великим плюсом цієї технології є можливість застосування однієї форми для практично необмеженого кількості виливків. Це дозволяє використовувати дану технологію в проміжку, що виникає між литтям в силікон і застосуванням термопласт-автоматів, тобто в ситуації, коли необхідно отримати десятки або навіть сотні виливків.
Лиття металів за виплавлюваними
Класична технологія для отримання високоякісних виливків з металу. У програмі 3D-CAD конструктор розробляє форму для відливання вироби. Потім вона вирощується на 3D-принтері. Ця форма використовується для отримання восківок - точних копій кінцевого вироби з ливарного воску (рис. 11). Такі восківки застосовуються для створення керамічної форми - зазвичай вони збираються в кущ, який кілька разів занурюється в рідку керамічну суміш і обсипається піском для нарощування форми. Готова форма з восківки всередині поміщається в піч, де форма остаточно висихає, а ливарний віск плавиться і витікає з форми. У готову керамічну форму заливається метал, виливок охолоджується, потім форму розбивають і виймають кінцевий виріб. Після цього видаляються літники, а при необхідності виріб полірується.
Лиття в землю
Ще одна класична технологія для отримання виливків з металу. У порівнянні з литтям по виплавлюваних в даному випадку точність не настільки висока, зате можна лити не тільки кольорові метали з температурою плавлення 600- 800 ° С, але і сталь з температурою плавлення понад 1000 ° С. При використанні 3D-принтера Objet на ньому вирощується майстер-модель вироби і комплект вставок, по ним формується піщана форма, в яку потім ллється метал (рис. 12). Майстер-модель, вирощена на принтері, покривається фарбою для підвищення стійкості до подряпин, що дозволяє застосовувати модель для формування до ста разів.
Безумовно, в одній статті неможливо висвітлити всі аспекти використання 3D-принтерів Objet. Тому далі хотілося б відповісти на деякі питання, які можуть виникнути у Новомосковсктелей.
Чи можна, наприклад, робити на 3D-принтері Objet пластикові вікна?
Технології, що застосовуються в RP-системах в цілому і в 3D-принтерах Objet зокрема, не призначені для масового виробництва. Технічно принтер дійсно може виростити все, що поміщається в його робочу камеру, а що не поміщається можна виростити по частинах і потім зібрати. Але економічно це невигідно, при виробництві серійної продукції класичні технології більш виправдані. 3D-принтер вигідний для виробництва прототипів або малих серій або одиничних унікальних виробів, тому що для нього не потрібно підготовки виробництва.
Виходить, що це просто красива іграшка, використовувати яку абсолютно невигідно?
Ні! Це підтверджує досвід провідних західних компаній, що займають лідируючі позиції в таких галузях, як автомобілебудування, аерокосмічна промисловість, виробництво електроніки, виробництво споживчих товарів, ВПК. При розробці нової продукції вони широко використовують RP-технології. За час свого існування компанія Objet поставила клієнтам по всьому світу понад 1500 одиниць техніки.
Чи є досвід експлуатації цієї техніки вУкаіни?
Звичайно, але з об'єктивних причин 3D-принтери вУкаіни до недавнього часу були поширені набагато менше, ніж за кордоном. В останні роки інтерес українських компаній до подібній техніці помітно виріс. Ми обов'язково присвятимо окрему статтю історіям успішного застосування 3D-принтерів вУкаіни і за кордоном.
У чому полягає економічний сенс використання подібної техніки?
Можна виділити чотири основні групи причин, за якими застосування 3D-принтерів компанії Objet економічно вигідно:
- скорочення часу розробки нової продукції;
- скорочення кількості помилок, які залишилися в виробі після запуску його в серію;
- підвищення якості розробки нової продукції;
- збереження повної конфіденційності нових розробок до запуску вироби у серію.
Для чого потрібна перевірка збирання на прототипах, адже майже весь сучасний 3D-CAD має функцію перевірки збирання на комп'ютерної 3D-моделі?
В ідеальному випадку це так. Але в реальному житті, як правило, все складніше. Якісь вузли нового вироби можуть проектуватися не просто в різних відділах і в різних системах 3D-CAD, а й на інших підприємствах. Для деяких складових може просто не існувати 3D-моделей. Прототипи, вирощені на 3D-принтерах Objet, відмінно збираються не тільки один з одним, але і з частинами, виготовленими за традиційними технологіями.
У нас дуже великі вироби. Чи означає це, що для нас Objet марний?
Звичайно, ні! Як правило, великі вироби складаються з сотень або тисяч дрібніших вузлів. Наприклад, корпус літака ніхто не виготовляє цілком на 3D-принтері, а ось окремі елементи - дуже часто (рис. 13).
На завершення хочеться навести слова Аристотеля:
«Благо скрізь і всюди залежить від дотримання двох умов: 1) правильного встановлення кінцевої мети всякого роду діяльності; 2) відшукання відповідних засобів, що ведуть до кінцевої мети ».
Сьогодні, маючи під рукою такі досконалі інструменти, можна ставити перед собою найфантастичніші мети і створювати найскладніші прототипи. І в цьому вам допоможуть високотехнологічні 3D-принтери Objet.