Революционная ситуация
В наши дни самым эффективным способом производства штучных изделий можно считать литье под давлением, а его вершиной - литье из пластмасс. Нет такой отрасли, где эта технология не нашла бы применения. Однако для нее характерна высокая стоимость формообразующей оснастки. В то же время, «жизненный цикл» изделия в наше время невелик, поэтому производитель не может рассчитывать на то, что его расходы окупятся за десятки лет непрерывного производства, а дизайнеры и инженеры-конструкторы стараются получить конкурентное преимущество за счет оптимальной конфигурации и минимальной массы отдельной детали.
Поэтому появилась необходимость изготовления прототипов - пробных изделий, выпускаемых единично или малой партией.
Стоимость формообразующей оснастки можно попытаться снизить, например, в случае, если изделия похожи друг на друга, можно моделировать оснастку, используя готовые наборные элементы. По этому принципу работает система быстрого прототипирования емкостей компании Kautex Maschinebau, но ее сфера применения ограничена технологией экструзионно-выдувного формования. В случае литья под давлением диапазон возможных форм почти беспредельно широк, поэтому стоимость оснастки снижают за счет применения менее стойких, но легких в обработке материалов, таких как силикон или полиуретан.
В то же время, для изготовления такой гибкой формы необходима мастер-модель, идентичная по геометрическим параметрам искомой детали.
Таким образом, полный спектр задач быстрого прототипирования включает в себя создание моделей для литья пробных малых партий изделий, оценка внешнего вида и конструктивных решений будущего изделия, а во многих случаях и функциональное тестирование, для чего прототип должен быть аналогичен будущему изделию по физико-механическим свойствам.
В случае, когда возможности технологии литья пластмасс под давлением используются в полной мере, получение мастер-модели путем механической обработки становится проблематичным, а при создании их вручную трудоемкость огромна, а точность не высока.
Кроме того, для изготовления детали из полимера путем механической обработки во избежание деформации или повреждения заготовки потребуется применить технику высокоскоростного резания с малой подачей, при которой отдельные частицы материала будут отделяться путем хрупкой деформации. При этом износ инструмента окажется неожиданно велик, в сравнении с физико-механическими свойствами полимера.
Революция номер один
Все изменилось с появлением технологий послойного выращивания детали из полимеров или других материалов. Их назвали аддитивными, то есть добавляющими, чтобы отличить от экстрактивных, извлекающих, к которым относятся и все виды механической обработки.
Исторически первой стала стереолитография, изобретенная в 1986 году Чарлзом Халлом. При этом методе жидкий фотополимер послойно отверждается лазерным лучом. До недавнего времени эта технология была самой распространенной и востребованной. Созданная при участии Чарлза Халла компания 3D Systems Inc. в настоящее время занимает лидирующие позиции и предлагает, пожалуй, самый широкий ассортимент устройств, использующих самые разные технологии выращивания изделий.
В 1989 году появилась технология выборочного лазерного спекания, сфера применения которой затем расширилась и на другие материалы.
В дальнейшем новые технологии, или их модификации, появлялись почти ежегодно, и к настоящему моменту общее число различных вариантов составляет около двух десятков.
Главным итогом прогресса в этой области стала возможность получения изделий в единичном экземпляре. Выращивание может быть весьма точным, или многокомпонентным, или недорогим, или любых расцветок, или с заданными физико-механическими свойствами. К сожалению, не одновременно.
Спор о словах
В отечественной периодике надежно закрепилось цифро-буквосочетание «3D-принтер» для обозначения любых установок быстрого прототипирования. Журналисты, по неизвестной причине, очень любят кальки с английского языка. Помимо несоответствия любым нормам русского языка, эта конструкция не соответствует и его духу. Принтером у нас принято называть периферийное печатающее устройство для компьютера. В случае же установки стоимостью в полмиллиона долларов, требующей 10 квадратных метров подготовленной поверхности для размещения, скорее персональный компьютер можно считать периферийным устройством.
Даже младшие модели компании Objet, которые позиционируются как настольные, весят более 80 килограмм. Далеко не каждый стол выдержит такой груз.
Словосочетание «трехмерный принтер» также не подходит, поскольку им описывается само устройство, а такие аппараты плоскими не бывают. Иногда предлагаются громоздкие конструкции вида «установка объемной печати», но они вряд ли обретут популярность.
Компании, предлагающие услуги быстрого прототипирования, часто разделяют свои машины на установки БП и 3D-принтеры, в соответствии с их размерами.
На профессиональном сленге процесс изготовления называется «выращиванием» и это слово подходит как нельзя лучше, а установки - «растишками». Думается, если удастся найти более серьезное и не запатентованное производителями молочной продукции обозначение, мы получим возможность избавиться от цифро-буквосочетаний при описании этой отрасли.
К сожалению, у нас в стране практически отсутствует государственная политика в области русского языка. Ученые мужи, работающие под именем ИРЯ РАН, лишь рекомендуют устоявшееся употребление в качестве нормы, следуя принципу «миллионы леммингов не могут ошибаться».
Поэтому ответственность за чистоту языка лежит на профессиональном сообществе.
Технологии
Традиционно, установки быстрого прототипирования разделяют на «лазерные» и «струйные», однако это разделение слабо описывает непосредственно технологию и служит, скорее, целям маркетинга для проведения аналогии с обычными принтерами. Процессы, происходящие при выращивании детали, за редким исключением мало напоминают печать. Гораздо большее значение имеет исходный материал и другие нюансы. Так, при использовании фотополимера для его экспозиции применяются как лазеры, так и линейки светодиодов, и в этом отношении любая фотополимерная установка - «лазерная».
При использовании жидких фотополимеров происходит послойное отверждение материала лазерным лучом или линейкой светодиодов (лампой). В первом случае речь идет о стереолитографии, во втором - о технологии PolyJet компании Objet (в этом случае материал предварительно напыляется) или SGC, когда предварительно экспонируется фотомаска, а затем через нее целиком засвечивается слой полимера. Впрочем, последняя не снискала себе популярности.
Устройства, использующие термопластичные полимеры, в большинстве своем используют либо технологию FDM и аналоги, при которой тонкая нить полимера, как правило, АБС-пластика, переводится в вязкотекучее состояние прямо перед нанесением головкой, сходной с экструзионной, этот процесс можно назвать мини-экструзией, либо семейство технологий, при которых полимер предварительно расплавляется, а затем напыляется из сопел. В последнем случае одна из ключевых характеристик установки - количество сопел.
Один из вариантов этого семейства - установки компании Solidscape, которые предназначены для создания не прототипов, а мастер-моделей из воска для последующего литья. Особенность этих машин - механическая обработка каждого слоя после нанесения, благодаря чему достигается высокая точность модели.
Несколько особняком стоит технология выборочного (селективного) лазерного спекания, поскольку лазер используется не для экспонирования маски или материала, или обрезки заготовки, а непосредственно для обработки. Но поскольку мощность лазерного излучения ограничена, в такой установке порошкообразное сырье предварительно нагревается до температуры, чуть меньше необходимой для плавления, а затем лазерный луч послойно сплавляет материал. Технологии такого рода используются для изготовления деталей из самого широкого спектра материалов - многих крупнотоннажных полимеров, конструкционных пластмасс, металлов и сплавов, а также керамики.
Наибольшую скорость выращивания прототипов демонстрируют установки, использующие технологию LOM и подобные ей. В этом случае в качестве исходного материала используется не жидкость или порошок, а тонкие полимерные пленки, которые сплавляются между собой или с промежуточными слоями (в первых версиях технологии это была бумага), а излишки обрезаются механически или с помощью лазера. Однако при определенной геометрии изделия его изготовление этим способом может оказаться проблематичным.
Единственная технология, которую можно с полным правом назвать трехмерной печатью разработана Z Corporation. В настоящее время аппараты такой конструкции производит компания 3D Systems. Здесь порошок, ранее - крахмальный, а теперь - гипсовый, пропитывается распыляемым клеем. При этом на старших моделях устройств, помимо черного или прозрачного, клей окрашен в цвета полиграфической триады, благодаря чему появляется возможность выращивания полноцветных моделей.
Плюсы и минусы
К сожалению, на данный момент не существует универсальной технологии.
Изделия из фотополимеров подвержены усадке и короблению, в частности, потому, что процесс полимеризации в этом случае продолжается длительное время после собственно выращивания. Детали, полученные методом стереолитографии, обладают высокой размерной точностью, но могут быть только полупрозрачными (прозрачными после полировки), поэтому для оценки внешнего вида их приходится окрашивать вручную. Физико-механические их свойства также отличаются от большинства пластмасс.
Компания Objet выпустила множество видов фотополимеров, аналогичных по своим свойствам различным типам термопластичных материалов. Более того, на старших моделях установок можно выращивать многокомпонентные детали, в том числе применяя в одном изделии материалы с различными свойствами, например, например, с твердыми стенками, соединенными эластичным материалом или моделировать термопласты за счет создания композиционных материалов из фотополимеров. Компания также предлагает биосовместимый материал, изделия из которого нашли свое применение в медицине, особенно в стоматологии и материал для выращивания слуховых аппаратов. Однако гамма предлагаемых цветов невелика и вряд ли будет вскоре расширена. Кроме того, это не самая дешевая и точная технология.
Лазерное спекание демонстрирует хорошую точность и физико-механические свойства изделий, но они нуждаются в последующей обработке и окрашивании для оценки внешнего вида. Да и выращивание по этой технологии занимает куда больше времени, чем по любой другой, ведь нагревание и остывание камеры занимает примерно столько же времени, что и сам процесс.
С другой стороны, благодаря этой технологии можно обрабатывать самый широкий спектр материалов, но только по отдельности, из-за различных температурных профилей материалов. Обычно такие установки можно перенастроить для работы с двумя-тремя материалами, а некоторые спекают только один, но хорошо. Одна из последних разработок компании EOS - аппарат для изготовления деталей из полиэфирэфиркетона. Поскольку детали из этого материала, в силу его немалой цены, обычно изготавливаются малой серией или штучно, она может иметь большой коммерческий потенциал в некоторых отраслях.
Все остальные технологии, использующие термопластичные материалы в качестве сырья, пока уступают в точности и качестве получаемой поверхности, но могут быть более демократичны по ценам на установки и расходные материалы, поскольку, как выяснилось, первые достаточно просты, а вторые представляют собой модифицированные крупнотоннажные полимеры.
Что касается технологии пропитки клеем порошка, то получающаяся модель наилучшим образом отвечает задачам оценки внешнего вида, благодаря полноцветному окрашиванию в массе. Кроме того, такие прототипы выращиваются быстрее и стоят дешевле своих собратьев. Получившийся композиционный материал напоминает пластмассу только внешне. Больше он ее ничем не напоминает, и поэтому не пригоден для функционального тестирования. С другой стороны, полученное изделие вполне пригодно для использования в качестве мастер-модели для формы из силикона или другого подобного материала. Можно сказать, что выращивание на таких установках и литье малыми сериями - технологии-спутники.
Подводные камни
Главная сложность, с которой сталкиваются новички в деле быстрого прототипирования - то, что большинство таких устройств - это не «3D-принтеры», а сложные и капризные установки для профессиональной работы. Старшим моделям, для реализации их потенциала, необходима точная и квалифицированная установка, так же как высокоточным станкам и печатным машинам. Большинство расходных материалов не могут храниться очень долго, поэтому необходимо точное построение логистической цепочки, да и оборудованию при длительном простое может быть нанесен ущерб.
Отдельно стоит отметить вопрос квалификации персонала. Как и в других сложных практических областях, ключевое значение имеет опыт, который невозможно заменить никакой теоретической подготовкой. В то же время, на растущем рынке быстрого прототипирования рассчитывать на появление «свободных» высококвалифицированных и опытных кадров не стоит, а на самостоятельное ознакомление со всеми нюансами технологий (тем более, что их значительное количество) могут уйти месяцы.
Поэтому компании, приобретающие установки, только чтобы «сэкономить на быстром прототипировании», могут достичь обратного результата.
Цена вопроса
С момента своего появления, быстрое прототипирование было весьма недешевым удовольствием. Большие машины стоили и стоят порядка полумиллиона долларов. Стоимость материалов составляла сотни долларов за килограмм или литр. Соответственно, выращивание изделия могло обходиться в суммы порядка тысячи долларов.
В течение 20 лет с момента появления стереолитографии прогресс в этой области касался, преимущественно, технического совершенства машин и их возможностей, слабо отражаясь на их цене. В большинстве линеек младшая модель имела стоимость порядка 50 тысяч долларов. Стоимость материалов снижалась более заметно, но тоже очень постепенно.
К середине прошлого десятилетия стало возможным использовать установки быстрого прототипирования и для производства единичных изделий, поскольку стоимость выращивания по некоторым технологиям приблизилась к другим способам изготовления деталей в единственном экземпляре.
Однако стоимость установок делала их доступными исключительно для крупных предприятий.
Тем не менее, сама возможность почти безотходного производства уникальных изделий для конечного использования теоретически могла открыть абсолютно новые возможности.
Основная проблема заключалась в том, что производители установок видели в качестве своей целевой аудитории исключительно предприятия, нуждающиеся в прототипах, предваряющих массовое производство.
Происходящая уже в течение пяти лет гонка за снижением стоимости установок во многом изменила ситуацию и сейчас устройства быстрого прототипирования начального уровня можно приобрести менее чем за 20 тысяч долларов.
Революция номер два
Движущими силами происходящей сейчас революции в сферах производства и потребления стали проект RepRap и движение «мастеров» (makers).
В 2005 году группа британских ученых, куда же без них, инициировала проект RepRap (сокращение от replicating rapid prototyper, «самовоспроизводящаяся установка быстрого прототипирования»). Заявленная цель проекта - создание такой установки, которая сможет «распечатать» сама себя. Конечно, от достижения этой цели проект еще очень далек, но благодаря нему стало возможным появление бытовых устройств такого класса.
В первую очередь, появилась свободно распространяемая версия технологии выращивания, названная Fused Filament Fabrication (FFF) (производство с помощью расплавленной нити), которая, в общем, аналогична патентованной технологии FDM компании Stratasys. Кроме того, были разработаны и свободно распространяемые версии соответствующего программного обеспечения.
Исторически первой компанией, которая коммерциализировала технологию FFF, стала американская MakerBot. Созданное ей устройство стало действительно принтером, периферийным устройством для персонального компьютера, способным выращивать изделия в домашних условиях. Сейчас последняя модель, предлагаемая компанией, называется Replicator и продается за 1750 долларов, причем срок поставки составляет 3-4 месяца. Его масса составляет около 15 килограммов, а в качестве опции доступен вариант с двумя мини-экструзионными головками. Исходный материал - леска из модифицированного пластика, поставляется в килограммовых бобинах. При этом есть возможность выбрать из двух десятков цветов АБС-пластика, включая светящийся в темноте, а также приобрести леску из обычной или водорастворимой полимолочной кислоты. Для любителей украсить свои аппараты предлагаются различные аксессуары и наборы для подсветки.
Одновременно появилось и начало набирать обороты движение «мастеров», для которых принцип «сделай сам» стал хобби и стилем жизни. В США издаются СМИ движения и проводится множество выставок-ярмарок под его эгидой. Недорогие устройства для выращивания изделий пришлись «мастерам» как нельзя кстати.
Ключевое значение движения «мастеров» для развития рынка таких принтеров связано с тем, что им был обеспечен если не массовый, то по крайней мере устойчивый спрос на недорогие аппараты самого разного качества.
С тех пор появилось множество небольших компаний, которые предлагают такие принтеры.
Недавно на рынок вышло устройство Up! Mini китайской компании PP3DP. В интернет-магазине за него просят 1500 долларов. В качестве исходного материала предлагают только неокрашенный АБС-пластик, а единственное преимущество принтера, названного «портативным» - его масса. Он весит всего 5 килограмм. При этом заявленная технология выращивания - FDM, из-за чего у китайских умельцев могут возникнуть патентные разногласия с компанией Stratasys.
Единственный из крупных производителей, кто заметил этот рынок - компания 3D Systems, которая уже упоминалась. Новая разработка компании, предназначенная для домашнего использования - принтер Cube, по цене 1300 долларов.
В отличие от маленьких компаний, конструкции которых восходят к проекту RepRap, Cube основан на оригинальных разработках 3D Systems. В нем применяется технология напыления расплавленного пластика. Материал поставляется в сменных картриджах с возможностью выбора из десятка цветов. Благодаря массе чуть более 4 килограмм, этот принтер - самый легкий на рынке.
Как и положено продукту крупной корпорации, он выгодно отличается внешним видом, а для получения первых приемлемых результатов потребуется намного меньше телодвижений по настройке, калибровке, обработке модели и проч. С другой стороны, подобно дешевым традиционным принтерам, Cube отличается малой емкостью картриджа, поэтому стоимость каждой отдельной выращенной детали, скорее всего, окажется больше, чем у конкурентов.
Из других принтеров обращает на себя внимание Mosaic также американской компании MakerGear. Он предлагается по цене 899 долларов в виде набора «сделай сам» и за 999 долларов - в полностью собранном состоянии.
Для сравнения, младшая модель линейки компании Stratasys, устройство Mojo 3D Printer, использующее подобную технологию выращивания, стоит 9900 долларов, то есть почти в 10 раз дороже. При этом Mojo был создан совсем недавно, с учетом вышесказанного, и может использовать материал только белого цвета.
Конечно, дешевые полукустарные аппараты уступают в прочности получаемых деталей и точности их выращивания, но, в отличие от цены, далеко не в 10 раз. Максимальная прочность выращенной из АБС-пластика детали составляет около 80% от показателей литой под давлением из того же материала. Для продукции MakerGear этот показатель может упасть до 30%, однако во многих случаях хватает и этого.
Кстати, все пластиковые детали Mosaic выращиваются на них же. Из этого следует, что резервы снижения себестоимости еще не исчерпаны.
Недавно появился проект еще более дешевого принтера, но полный отказ от калибровок, который оставит возможность выращивания только простых геометрических форм, вряд ли стоит 200 долларов экономии.
Компании MakerBot и MakerGear предлагают материалы по ценам чуть менее 50 долларов за килограмм. Как ни странно, самым дешевым материалом для выращивания оказалась фотоотверждаемая эпоксидная смола, которую можно приобрести за сумму, немного превышающую 20 долларов за литр. Умельцы самостоятельно собирают аппараты для работы с ней.
Будущее
Для большинства существующих технологий резерв развития заключается в создании более совершенных алгоритмов деления детали на слои при одновременном использовании установок с переменной точностью. В этом случае появится возможность быстро выращивать простые участки, а максимальную точность использовать только на сложных. Теоретически, это позволит значительно увеличить скорость работы без потери точности.
В настоящий момент идут работы над технологией «выращивания» не просто биосовместимых, а биологических объектов. В случае успеха это приведет к перевороту в области, где жизненно необходима возможность получения уникальных, необходимых данному человеку тканей или даже органов - в медицине. В этом случае аппараты для «выращивания» появятся не только в стоматологических клиниках, но и в обычных больницах.
Для менее ответственных областей большое значение имеет появление возможности использования закладных элементов в самом широком спектре установок. Даже домашний принтер с этой опцией откроет перед владельцем очень широкие возможности.
Другая технология, разработка которой ведется прямо сейчас - использование токопроводящих полимеров для аддитивного производства. В сочетании с использованием закладных элементов это позволит выращивать готовые электронные устройства.
Однако наиболее масштабный эффект произведут бытовые принтеры, о которых шла речь в предыдущем разделе.
Безусловно, бытовые «растишки» не смогут ни вытеснить установки быстрого прототипирования, ни «уничтожить массовое производство», как заявляют некоторые горячие головы. В первом случае им не хватит точности, а во втором - скорости и экономической эффективности. Даже после массового распространения весь парк аддитивных устройств не сможет даже приблизиться по тоннажу к традиционной переработке.
Однако они окажут значительное давление «снизу» в вопросах как цены, так и качества. Отрасль производства установок БП это давление уже ощутила.
На данный момент бытовые принтеры используются, в основном, для изготовления безделушек в качестве хобби, а их самому широкому распространению препятствует уже не столько цена, сколько отсутствие информации и инерция мышления. Большинство людей просто не отдают себе отчета в том, насколько пластмассы вошли в нашу жизнь. Однако в дальнейшем спрос на самые разные установки для выращивания будет только расти, а их цена - снижаться.
Массовое распространение этой технологии резко ограничит поле для маркетинговых уловок. При этом снизится средняя норма прибыли, ведь максимальная маржа будет ограничена себестоимостью аналогичного «выращенного» изделия. В то же время производство изделий откровенно низкого качества потеряет всякий смысл.
Одновременно возникнет необходимость решения вопросов безопасности при самостоятельном производстве посуды, детских игрушек и электротехнических устройств.
В наших условиях возникновения массового спроса стоит ожидать в первую очередь со стороны людей, занимающихся ремонтом. Принтер пока нельзя «распечатать», но его вполне можно починить. Кстати, именно для этих целей НАСА планирует использовать устройство, работающее по технологии FDM, во время межпланетных экспедиций.
Сейчас возможности фотополимеров более широки, но при наличии действительно массового спроса возникнет необходимость его быстрого удовлетворения, а также вторичной переработки изделий, изготовленных людьми самостоятельно. С этих точек зрения термопластичные материалы выглядят более предпочтительно.
Аддитивным технологиям еще предстоит пройти большой путь, но уже стало очевидно, что то будущее, о котором мы читали в детстве в фантастических романах, наступило. В очередной раз.
Поэтому появилась необходимость изготовления прототипов - пробных изделий, выпускаемых единично или малой партией.
Стоимость формообразующей оснастки можно попытаться снизить, например, в случае, если изделия похожи друг на друга, можно моделировать оснастку, используя готовые наборные элементы. По этому принципу работает система быстрого прототипирования емкостей компании Kautex Maschinebau, но ее сфера применения ограничена технологией экструзионно-выдувного формования. В случае литья под давлением диапазон возможных форм почти беспредельно широк, поэтому стоимость оснастки снижают за счет применения менее стойких, но легких в обработке материалов, таких как силикон или полиуретан.
В то же время, для изготовления такой гибкой формы необходима мастер-модель, идентичная по геометрическим параметрам искомой детали.
Таким образом, полный спектр задач быстрого прототипирования включает в себя создание моделей для литья пробных малых партий изделий, оценка внешнего вида и конструктивных решений будущего изделия, а во многих случаях и функциональное тестирование, для чего прототип должен быть аналогичен будущему изделию по физико-механическим свойствам.
В случае, когда возможности технологии литья пластмасс под давлением используются в полной мере, получение мастер-модели путем механической обработки становится проблематичным, а при создании их вручную трудоемкость огромна, а точность не высока.
Кроме того, для изготовления детали из полимера путем механической обработки во избежание деформации или повреждения заготовки потребуется применить технику высокоскоростного резания с малой подачей, при которой отдельные частицы материала будут отделяться путем хрупкой деформации. При этом износ инструмента окажется неожиданно велик, в сравнении с физико-механическими свойствами полимера.
Революция номер один
Все изменилось с появлением технологий послойного выращивания детали из полимеров или других материалов. Их назвали аддитивными, то есть добавляющими, чтобы отличить от экстрактивных, извлекающих, к которым относятся и все виды механической обработки.
Исторически первой стала стереолитография, изобретенная в 1986 году Чарлзом Халлом. При этом методе жидкий фотополимер послойно отверждается лазерным лучом. До недавнего времени эта технология была самой распространенной и востребованной. Созданная при участии Чарлза Халла компания 3D Systems Inc. в настоящее время занимает лидирующие позиции и предлагает, пожалуй, самый широкий ассортимент устройств, использующих самые разные технологии выращивания изделий.
В 1989 году появилась технология выборочного лазерного спекания, сфера применения которой затем расширилась и на другие материалы.
В дальнейшем новые технологии, или их модификации, появлялись почти ежегодно, и к настоящему моменту общее число различных вариантов составляет около двух десятков.
Главным итогом прогресса в этой области стала возможность получения изделий в единичном экземпляре. Выращивание может быть весьма точным, или многокомпонентным, или недорогим, или любых расцветок, или с заданными физико-механическими свойствами. К сожалению, не одновременно.
Спор о словах
В отечественной периодике надежно закрепилось цифро-буквосочетание «3D-принтер» для обозначения любых установок быстрого прототипирования. Журналисты, по неизвестной причине, очень любят кальки с английского языка. Помимо несоответствия любым нормам русского языка, эта конструкция не соответствует и его духу. Принтером у нас принято называть периферийное печатающее устройство для компьютера. В случае же установки стоимостью в полмиллиона долларов, требующей 10 квадратных метров подготовленной поверхности для размещения, скорее персональный компьютер можно считать периферийным устройством.
Даже младшие модели компании Objet, которые позиционируются как настольные, весят более 80 килограмм. Далеко не каждый стол выдержит такой груз.
Словосочетание «трехмерный принтер» также не подходит, поскольку им описывается само устройство, а такие аппараты плоскими не бывают. Иногда предлагаются громоздкие конструкции вида «установка объемной печати», но они вряд ли обретут популярность.
Компании, предлагающие услуги быстрого прототипирования, часто разделяют свои машины на установки БП и 3D-принтеры, в соответствии с их размерами.
На профессиональном сленге процесс изготовления называется «выращиванием» и это слово подходит как нельзя лучше, а установки - «растишками». Думается, если удастся найти более серьезное и не запатентованное производителями молочной продукции обозначение, мы получим возможность избавиться от цифро-буквосочетаний при описании этой отрасли.
К сожалению, у нас в стране практически отсутствует государственная политика в области русского языка. Ученые мужи, работающие под именем ИРЯ РАН, лишь рекомендуют устоявшееся употребление в качестве нормы, следуя принципу «миллионы леммингов не могут ошибаться».
Поэтому ответственность за чистоту языка лежит на профессиональном сообществе.
Технологии
Традиционно, установки быстрого прототипирования разделяют на «лазерные» и «струйные», однако это разделение слабо описывает непосредственно технологию и служит, скорее, целям маркетинга для проведения аналогии с обычными принтерами. Процессы, происходящие при выращивании детали, за редким исключением мало напоминают печать. Гораздо большее значение имеет исходный материал и другие нюансы. Так, при использовании фотополимера для его экспозиции применяются как лазеры, так и линейки светодиодов, и в этом отношении любая фотополимерная установка - «лазерная».
При использовании жидких фотополимеров происходит послойное отверждение материала лазерным лучом или линейкой светодиодов (лампой). В первом случае речь идет о стереолитографии, во втором - о технологии PolyJet компании Objet (в этом случае материал предварительно напыляется) или SGC, когда предварительно экспонируется фотомаска, а затем через нее целиком засвечивается слой полимера. Впрочем, последняя не снискала себе популярности.
Устройства, использующие термопластичные полимеры, в большинстве своем используют либо технологию FDM и аналоги, при которой тонкая нить полимера, как правило, АБС-пластика, переводится в вязкотекучее состояние прямо перед нанесением головкой, сходной с экструзионной, этот процесс можно назвать мини-экструзией, либо семейство технологий, при которых полимер предварительно расплавляется, а затем напыляется из сопел. В последнем случае одна из ключевых характеристик установки - количество сопел.
Один из вариантов этого семейства - установки компании Solidscape, которые предназначены для создания не прототипов, а мастер-моделей из воска для последующего литья. Особенность этих машин - механическая обработка каждого слоя после нанесения, благодаря чему достигается высокая точность модели.
Несколько особняком стоит технология выборочного (селективного) лазерного спекания, поскольку лазер используется не для экспонирования маски или материала, или обрезки заготовки, а непосредственно для обработки. Но поскольку мощность лазерного излучения ограничена, в такой установке порошкообразное сырье предварительно нагревается до температуры, чуть меньше необходимой для плавления, а затем лазерный луч послойно сплавляет материал. Технологии такого рода используются для изготовления деталей из самого широкого спектра материалов - многих крупнотоннажных полимеров, конструкционных пластмасс, металлов и сплавов, а также керамики.
Наибольшую скорость выращивания прототипов демонстрируют установки, использующие технологию LOM и подобные ей. В этом случае в качестве исходного материала используется не жидкость или порошок, а тонкие полимерные пленки, которые сплавляются между собой или с промежуточными слоями (в первых версиях технологии это была бумага), а излишки обрезаются механически или с помощью лазера. Однако при определенной геометрии изделия его изготовление этим способом может оказаться проблематичным.
Единственная технология, которую можно с полным правом назвать трехмерной печатью разработана Z Corporation. В настоящее время аппараты такой конструкции производит компания 3D Systems. Здесь порошок, ранее - крахмальный, а теперь - гипсовый, пропитывается распыляемым клеем. При этом на старших моделях устройств, помимо черного или прозрачного, клей окрашен в цвета полиграфической триады, благодаря чему появляется возможность выращивания полноцветных моделей.
Плюсы и минусы
К сожалению, на данный момент не существует универсальной технологии.
Изделия из фотополимеров подвержены усадке и короблению, в частности, потому, что процесс полимеризации в этом случае продолжается длительное время после собственно выращивания. Детали, полученные методом стереолитографии, обладают высокой размерной точностью, но могут быть только полупрозрачными (прозрачными после полировки), поэтому для оценки внешнего вида их приходится окрашивать вручную. Физико-механические их свойства также отличаются от большинства пластмасс.
Компания Objet выпустила множество видов фотополимеров, аналогичных по своим свойствам различным типам термопластичных материалов. Более того, на старших моделях установок можно выращивать многокомпонентные детали, в том числе применяя в одном изделии материалы с различными свойствами, например, например, с твердыми стенками, соединенными эластичным материалом или моделировать термопласты за счет создания композиционных материалов из фотополимеров. Компания также предлагает биосовместимый материал, изделия из которого нашли свое применение в медицине, особенно в стоматологии и материал для выращивания слуховых аппаратов. Однако гамма предлагаемых цветов невелика и вряд ли будет вскоре расширена. Кроме того, это не самая дешевая и точная технология.
Лазерное спекание демонстрирует хорошую точность и физико-механические свойства изделий, но они нуждаются в последующей обработке и окрашивании для оценки внешнего вида. Да и выращивание по этой технологии занимает куда больше времени, чем по любой другой, ведь нагревание и остывание камеры занимает примерно столько же времени, что и сам процесс.
С другой стороны, благодаря этой технологии можно обрабатывать самый широкий спектр материалов, но только по отдельности, из-за различных температурных профилей материалов. Обычно такие установки можно перенастроить для работы с двумя-тремя материалами, а некоторые спекают только один, но хорошо. Одна из последних разработок компании EOS - аппарат для изготовления деталей из полиэфирэфиркетона. Поскольку детали из этого материала, в силу его немалой цены, обычно изготавливаются малой серией или штучно, она может иметь большой коммерческий потенциал в некоторых отраслях.
Все остальные технологии, использующие термопластичные материалы в качестве сырья, пока уступают в точности и качестве получаемой поверхности, но могут быть более демократичны по ценам на установки и расходные материалы, поскольку, как выяснилось, первые достаточно просты, а вторые представляют собой модифицированные крупнотоннажные полимеры.
Что касается технологии пропитки клеем порошка, то получающаяся модель наилучшим образом отвечает задачам оценки внешнего вида, благодаря полноцветному окрашиванию в массе. Кроме того, такие прототипы выращиваются быстрее и стоят дешевле своих собратьев. Получившийся композиционный материал напоминает пластмассу только внешне. Больше он ее ничем не напоминает, и поэтому не пригоден для функционального тестирования. С другой стороны, полученное изделие вполне пригодно для использования в качестве мастер-модели для формы из силикона или другого подобного материала. Можно сказать, что выращивание на таких установках и литье малыми сериями - технологии-спутники.
Подводные камни
Главная сложность, с которой сталкиваются новички в деле быстрого прототипирования - то, что большинство таких устройств - это не «3D-принтеры», а сложные и капризные установки для профессиональной работы. Старшим моделям, для реализации их потенциала, необходима точная и квалифицированная установка, так же как высокоточным станкам и печатным машинам. Большинство расходных материалов не могут храниться очень долго, поэтому необходимо точное построение логистической цепочки, да и оборудованию при длительном простое может быть нанесен ущерб.
Отдельно стоит отметить вопрос квалификации персонала. Как и в других сложных практических областях, ключевое значение имеет опыт, который невозможно заменить никакой теоретической подготовкой. В то же время, на растущем рынке быстрого прототипирования рассчитывать на появление «свободных» высококвалифицированных и опытных кадров не стоит, а на самостоятельное ознакомление со всеми нюансами технологий (тем более, что их значительное количество) могут уйти месяцы.
Поэтому компании, приобретающие установки, только чтобы «сэкономить на быстром прототипировании», могут достичь обратного результата.
Цена вопроса
С момента своего появления, быстрое прототипирование было весьма недешевым удовольствием. Большие машины стоили и стоят порядка полумиллиона долларов. Стоимость материалов составляла сотни долларов за килограмм или литр. Соответственно, выращивание изделия могло обходиться в суммы порядка тысячи долларов.
В течение 20 лет с момента появления стереолитографии прогресс в этой области касался, преимущественно, технического совершенства машин и их возможностей, слабо отражаясь на их цене. В большинстве линеек младшая модель имела стоимость порядка 50 тысяч долларов. Стоимость материалов снижалась более заметно, но тоже очень постепенно.
К середине прошлого десятилетия стало возможным использовать установки быстрого прототипирования и для производства единичных изделий, поскольку стоимость выращивания по некоторым технологиям приблизилась к другим способам изготовления деталей в единственном экземпляре.
Однако стоимость установок делала их доступными исключительно для крупных предприятий.
Тем не менее, сама возможность почти безотходного производства уникальных изделий для конечного использования теоретически могла открыть абсолютно новые возможности.
Основная проблема заключалась в том, что производители установок видели в качестве своей целевой аудитории исключительно предприятия, нуждающиеся в прототипах, предваряющих массовое производство.
Происходящая уже в течение пяти лет гонка за снижением стоимости установок во многом изменила ситуацию и сейчас устройства быстрого прототипирования начального уровня можно приобрести менее чем за 20 тысяч долларов.
Революция номер два
Движущими силами происходящей сейчас революции в сферах производства и потребления стали проект RepRap и движение «мастеров» (makers).
В 2005 году группа британских ученых, куда же без них, инициировала проект RepRap (сокращение от replicating rapid prototyper, «самовоспроизводящаяся установка быстрого прототипирования»). Заявленная цель проекта - создание такой установки, которая сможет «распечатать» сама себя. Конечно, от достижения этой цели проект еще очень далек, но благодаря нему стало возможным появление бытовых устройств такого класса.
В первую очередь, появилась свободно распространяемая версия технологии выращивания, названная Fused Filament Fabrication (FFF) (производство с помощью расплавленной нити), которая, в общем, аналогична патентованной технологии FDM компании Stratasys. Кроме того, были разработаны и свободно распространяемые версии соответствующего программного обеспечения.
Исторически первой компанией, которая коммерциализировала технологию FFF, стала американская MakerBot. Созданное ей устройство стало действительно принтером, периферийным устройством для персонального компьютера, способным выращивать изделия в домашних условиях. Сейчас последняя модель, предлагаемая компанией, называется Replicator и продается за 1750 долларов, причем срок поставки составляет 3-4 месяца. Его масса составляет около 15 килограммов, а в качестве опции доступен вариант с двумя мини-экструзионными головками. Исходный материал - леска из модифицированного пластика, поставляется в килограммовых бобинах. При этом есть возможность выбрать из двух десятков цветов АБС-пластика, включая светящийся в темноте, а также приобрести леску из обычной или водорастворимой полимолочной кислоты. Для любителей украсить свои аппараты предлагаются различные аксессуары и наборы для подсветки.
Одновременно появилось и начало набирать обороты движение «мастеров», для которых принцип «сделай сам» стал хобби и стилем жизни. В США издаются СМИ движения и проводится множество выставок-ярмарок под его эгидой. Недорогие устройства для выращивания изделий пришлись «мастерам» как нельзя кстати.
Ключевое значение движения «мастеров» для развития рынка таких принтеров связано с тем, что им был обеспечен если не массовый, то по крайней мере устойчивый спрос на недорогие аппараты самого разного качества.
С тех пор появилось множество небольших компаний, которые предлагают такие принтеры.
Недавно на рынок вышло устройство Up! Mini китайской компании PP3DP. В интернет-магазине за него просят 1500 долларов. В качестве исходного материала предлагают только неокрашенный АБС-пластик, а единственное преимущество принтера, названного «портативным» - его масса. Он весит всего 5 килограмм. При этом заявленная технология выращивания - FDM, из-за чего у китайских умельцев могут возникнуть патентные разногласия с компанией Stratasys.
Единственный из крупных производителей, кто заметил этот рынок - компания 3D Systems, которая уже упоминалась. Новая разработка компании, предназначенная для домашнего использования - принтер Cube, по цене 1300 долларов.
В отличие от маленьких компаний, конструкции которых восходят к проекту RepRap, Cube основан на оригинальных разработках 3D Systems. В нем применяется технология напыления расплавленного пластика. Материал поставляется в сменных картриджах с возможностью выбора из десятка цветов. Благодаря массе чуть более 4 килограмм, этот принтер - самый легкий на рынке.
Как и положено продукту крупной корпорации, он выгодно отличается внешним видом, а для получения первых приемлемых результатов потребуется намного меньше телодвижений по настройке, калибровке, обработке модели и проч. С другой стороны, подобно дешевым традиционным принтерам, Cube отличается малой емкостью картриджа, поэтому стоимость каждой отдельной выращенной детали, скорее всего, окажется больше, чем у конкурентов.
Из других принтеров обращает на себя внимание Mosaic также американской компании MakerGear. Он предлагается по цене 899 долларов в виде набора «сделай сам» и за 999 долларов - в полностью собранном состоянии.
Для сравнения, младшая модель линейки компании Stratasys, устройство Mojo 3D Printer, использующее подобную технологию выращивания, стоит 9900 долларов, то есть почти в 10 раз дороже. При этом Mojo был создан совсем недавно, с учетом вышесказанного, и может использовать материал только белого цвета.
Конечно, дешевые полукустарные аппараты уступают в прочности получаемых деталей и точности их выращивания, но, в отличие от цены, далеко не в 10 раз. Максимальная прочность выращенной из АБС-пластика детали составляет около 80% от показателей литой под давлением из того же материала. Для продукции MakerGear этот показатель может упасть до 30%, однако во многих случаях хватает и этого.
Кстати, все пластиковые детали Mosaic выращиваются на них же. Из этого следует, что резервы снижения себестоимости еще не исчерпаны.
Недавно появился проект еще более дешевого принтера, но полный отказ от калибровок, который оставит возможность выращивания только простых геометрических форм, вряд ли стоит 200 долларов экономии.
Компании MakerBot и MakerGear предлагают материалы по ценам чуть менее 50 долларов за килограмм. Как ни странно, самым дешевым материалом для выращивания оказалась фотоотверждаемая эпоксидная смола, которую можно приобрести за сумму, немного превышающую 20 долларов за литр. Умельцы самостоятельно собирают аппараты для работы с ней.
Будущее
Для большинства существующих технологий резерв развития заключается в создании более совершенных алгоритмов деления детали на слои при одновременном использовании установок с переменной точностью. В этом случае появится возможность быстро выращивать простые участки, а максимальную точность использовать только на сложных. Теоретически, это позволит значительно увеличить скорость работы без потери точности.
В настоящий момент идут работы над технологией «выращивания» не просто биосовместимых, а биологических объектов. В случае успеха это приведет к перевороту в области, где жизненно необходима возможность получения уникальных, необходимых данному человеку тканей или даже органов - в медицине. В этом случае аппараты для «выращивания» появятся не только в стоматологических клиниках, но и в обычных больницах.
Для менее ответственных областей большое значение имеет появление возможности использования закладных элементов в самом широком спектре установок. Даже домашний принтер с этой опцией откроет перед владельцем очень широкие возможности.
Другая технология, разработка которой ведется прямо сейчас - использование токопроводящих полимеров для аддитивного производства. В сочетании с использованием закладных элементов это позволит выращивать готовые электронные устройства.
Однако наиболее масштабный эффект произведут бытовые принтеры, о которых шла речь в предыдущем разделе.
Безусловно, бытовые «растишки» не смогут ни вытеснить установки быстрого прототипирования, ни «уничтожить массовое производство», как заявляют некоторые горячие головы. В первом случае им не хватит точности, а во втором - скорости и экономической эффективности. Даже после массового распространения весь парк аддитивных устройств не сможет даже приблизиться по тоннажу к традиционной переработке.
Однако они окажут значительное давление «снизу» в вопросах как цены, так и качества. Отрасль производства установок БП это давление уже ощутила.
На данный момент бытовые принтеры используются, в основном, для изготовления безделушек в качестве хобби, а их самому широкому распространению препятствует уже не столько цена, сколько отсутствие информации и инерция мышления. Большинство людей просто не отдают себе отчета в том, насколько пластмассы вошли в нашу жизнь. Однако в дальнейшем спрос на самые разные установки для выращивания будет только расти, а их цена - снижаться.
Массовое распространение этой технологии резко ограничит поле для маркетинговых уловок. При этом снизится средняя норма прибыли, ведь максимальная маржа будет ограничена себестоимостью аналогичного «выращенного» изделия. В то же время производство изделий откровенно низкого качества потеряет всякий смысл.
Одновременно возникнет необходимость решения вопросов безопасности при самостоятельном производстве посуды, детских игрушек и электротехнических устройств.
В наших условиях возникновения массового спроса стоит ожидать в первую очередь со стороны людей, занимающихся ремонтом. Принтер пока нельзя «распечатать», но его вполне можно починить. Кстати, именно для этих целей НАСА планирует использовать устройство, работающее по технологии FDM, во время межпланетных экспедиций.
Сейчас возможности фотополимеров более широки, но при наличии действительно массового спроса возникнет необходимость его быстрого удовлетворения, а также вторичной переработки изделий, изготовленных людьми самостоятельно. С этих точек зрения термопластичные материалы выглядят более предпочтительно.
Аддитивным технологиям еще предстоит пройти большой путь, но уже стало очевидно, что то будущее, о котором мы читали в детстве в фантастических романах, наступило. В очередной раз.