3D Печать — что это такое?
3D-печать, в полной трехмерной печати, в производстве, любой из нескольких процессов для изготовления трехмерных объектов путем наслоения двухмерных поперечных сечений последовательно, один поверх другого. Этот процесс аналогичен плавлению чернил или тонера на бумаге в принтере (отсюда и термин «печать»), но на самом деле представляет собой затвердевание или связывание жидкости или порошка в каждом месте в горизонтальном поперечном сечении, где требуется твердый материал. В случае 3D-печати наслоение повторяется сотни или тысячи раз, пока весь объект не будет закончен по всему его вертикальному размеру. Часто 3D-печать используется для быстрого изготовления пластиковых или металлических прототипов во время проектирования новых деталей, хотя она также может быть использована для изготовления конечных продуктов для продажи клиентам. Объекты, выполненные в 3D-печати, варьируются от пластиковых статуэток и моделей пресс-форм до стальных деталей машин и титановых хирургических имплантатов. Весь аппарат для 3D-печати может быть помещен в шкаф размером примерно с большую кухонную плиту или холодильник.
Термин 3D-печать первоначально обозначал специфический процесс, запатентованный учеными Массачусетского технологического института (MIT) в 1993 году и лицензированный несколькими производителями. Сегодня этот термин используется в качестве общего обозначения для целого ряда взаимосвязанных процессов. Центральное место во всех них занимает автоматизированное проектирование, или САПР. Используя САПР-программы, инженеры разрабатывают трехмерную компьютерную модель строящегося объекта. Эта модель переводится в серию двумерных «срезов» объекта, а затем в инструкции, которые сообщают принтеру, где именно затвердевает исходный материал на каждом последующем срезе.
В большинстве процессов исходным материалом является мелкодисперсный пластик или металлический порошок. Как правило, порошок хранится в картриджах или слоях, из которых он распределяется в небольших количествах и распределяется валиком или лезвием в чрезвычайно тонком слое (обычно только толщина зерен порошка, которая может быть такой же маленькой, как 20 микрометров или 0,0008 дюйма) над слоем, где строится деталь. В процессе MIT 3DP этот слой передается устройством, похожим на головку струйного принтера. Массив форсунок распыляет связующее вещество по схеме, определенной компьютерной программой, затем свежий слой порошка распределяется по всей площади напыления, и процесс повторяется. При каждом повторении слой нароста опускается точно на толщину нового слоя порошка. Когда процесс завершен, собранная часть, вложенная в неконсолидированный порошок, вытаскивается, очищается и иногда проходит через некоторые этапы постобработки.
Первоначальный процесс 3DP делал в основном грубые макеты из пластика, керамики и даже гипса, но более поздние вариации использовали также металлический порошок и производили более точные и прочные детали. Связанный с этим процесс называется селективным лазерным спеканием (SLS); здесь сопловая головка и жидкое связующее заменяются точно направленными лазерами, которые нагревают порошок так, что он спекается или частично плавится и плавится в нужных областях. Как правило, SLS работает либо с пластиковым порошком, либо с комбинированным порошком металлического связующего; в последнем случае собранный объект, возможно, придется нагревать в печи для дальнейшего затвердевания, а затем подвергать механической обработке и полировке. Эти этапы постобработки могут быть сведены к минимуму при прямом лазерном спекании металла (DMLS), при котором мощный лазер плавит мелкодисперсный металлический порошок в более твердую и готовую деталь без использования связующего материала. Еще одним вариантом является электронно-лучевая плавка (ЭБ); здесь лазерный аппарат заменяется электронной пушкой, которая фокусирует мощный электрически заряженный луч на порошок в условиях вакуума. Самые передовые технологии DMLS и EBM позволяют изготавливать конечные продукты из современных стальных, титановых и кобальт-хромовых сплавов.
Многие другие процессы работают по принципу построения 3DP, SLS, DMLS и EBM. Некоторые используют сопловые устройства для направления исходного материала (порошка или жидкости) только в специально отведенные места накопления, так что объект не погружается в слой материала. С другой стороны, в процессе, известном как стереолитография (SLA), тонкий слой полимерной жидкости, а не порошка распределяется по области сборки, и обозначенные участки детали консолидируются ультрафиолетовым лазерным лучом. Собранная пластиковая деталь извлекается и проходит через этапы постобработки.
Все процессы 3D-печати являются так называемым аддитивным производством, или аддитивным изготовлением, процессами, которые строят объекты последовательно, в отличие от литья или формования их в один этап (процесс консолидации) или вырезания и механической обработки их из цельного блока (процесс вычитания). Как таковые, они считаются имеющими ряд преимуществ по сравнению с традиционным изготовлением, главным из которых является отсутствие дорогостоящей оснастки, используемой в литейном и фрезерном процессах; способность производить сложные, индивидуальные детали в короткие сроки; и производство меньшего количества отходов. С другой стороны, они также имеют ряд недостатков; к ним относятся низкие темпы производства, меньшая точность и полировка поверхности, чем обработанные детали, относительно ограниченный диапазон материалов, которые могут быть обработаны, и серьезные ограничения на размер деталей, которые могут быть сделаны недорого и без искажений. По этой причине основной рынок 3D-печати находится в так называемом быстром прототипировании—то есть быстром производстве деталей, которые в конечном итоге будут массово производиться в традиционных производственных процессах. Тем не менее, коммерческие 3D-принтеры продолжают совершенствовать свои процессы и продвигаться на рынки конечных продуктов, а исследователи продолжают экспериментировать с 3D-печатью, производя такие разрозненные объекты, как автомобильные кузова, бетонные блоки и съедобные пищевые продукты.
Термин 3D-биопечать используется для описания применения концепций 3D-печати к производству биологических объектов, таких как ткани и органы. Биопечать основана в основном на существующих печатных технологиях, таких как струйная или лазерная печать, но использует «биоинк» (суспензии живых клеток и среды роста клеток), которые могут быть приготовлены в микропипетках или аналогичных инструментах, которые служат картриджами для принтеров. Затем печать контролируется с помощью компьютера, причем клетки осаждаются в определенных узорах на культуральные пластины или аналогичные стерильные поверхности. Для печати эмбриональных стволовых клеток человека по заранее запрограммированным схемам, облегчающим агрегацию клеток в сфероидные структуры, была использована клапанная печать, позволяющая точно контролировать отложение клеток и улучшить сохранение жизнеспособности клеток. Такие модели тканей человека, полученные с помощью 3D-биопечати, особенно полезны в области регенеративной медицины.
