3D принтер- болашақ технологиясы

Болашақ технологиясы-3D принтер

3D принтер-бұл сандық модель мен арнайы принтердің көмегімен көлемді материалдық объектіні алуға мүмкіндік беретін заманауи технология. 3D принтер идеясын қазіргі уақытта инновациялық деп атауға болмайды, өйткені ол 80-ші жылдары пайда болды, бірақ дамудың осы кезеңінде ол тек өндірісте қолданылды. Қазіргі уақытта іс жүзінде әр адам бірнеше жүз долларға өзінің 3D принтерін сатып алып, осы технологиямен жеке таныса алады.

Алғашқы 3D принтер 1986 жылы жасалған және сол кезде оның мүмкіндіктері шектеулі болды. Оны жасаушы Чак Халл бірнеше онжылдықтардан кейін бұл технология осындай ауқымдар мен мүмкіндіктерге жетеді деп елестете алмады. Кішкентай үш өлшемді фигураларды жасаудан бастап, 3D принтер жаңа деңгейге көтерілді және қазіргі уақытта аэроғарыш пен медицинаны қоса алғанда, бірқатар салалар үшін үлкен маңызға ие.

Алғашқы 3D принтер қандай болды? Әрине, осы типтегі алғашқы құрылғы әсерлі өлшемдерге ие болды, ал оның мүмкіндіктері мен өнімділігі бүгінгі күнге дейін бар құрылғыдан айтарлықтай ерекшеленді. Шағын 3D нысанын жасау үшін апталар, тіпті айлар қажет болды. Принтернәтижесінің өзі жетілдіруден алыс болды, сондықтан әзірлеушіге бұл технологияны жетілдіруге көп уақыт қажет болды.

1-сурет. Алғашқы 3D принтерлер.

Негізгі міндеттердің бірі 3D бөлігін жасауға кететін уақытты қысқарту болды. Бастапқыда Чак Халл мұны келесідей жоспарлаған: пластиктің екі жүз қабатын жағып, содан кейін оларға ультракүлгін сәуле арқылы қажетті пішінді беріңіз. Мұндай идеяны жүзеге асыру үшін ол UVP басшылығына жүгінді, ол оған арнайы бөлме және одан әрі дамыту үшін барлық қажетті жабдықтар берді.

Бір жыл ауыр жұмыстан кейін өнертапқыш 3D принтердің алғашқы жұмыс прототипін жасай алды. Халл сонымен қатар нысанға қажетті геометриялық пішін беруге мүмкіндік беретін кодты өзі жазды. 3D принтерресурсы ретінде ол ультракүлгін сәулелердің әсерінен күйін (сұйықтықтан қаттыға) өзгертуге қабілетті арнайы материал – фотополимерді пайдаланды. Осылайша 3D басып шығарудың алғашқы нәтижесі-кішкене пластикалық стақан алынды.

Чак Халл өзінің технологиясын дамытудағы жетістігіне қарамастан, бақытымызға орай немесе өкінішке орай бірқатар қиындықтарға тап болды. Компанияға патентін ұсына отырып, ол бас тартты, өйткені сол кезде менеджмент жобаны одан әрі қаржыландыруға мүмкіндігі болмады. Осыған байланысты әзірлеуші өз жолын жалғастыруға шешім қабылдады және 3D Systems деп аталатын өз компаниясын құрды.

3D Systems компаниясы әлі де бар және одан да көп – әлі де 3D аддитивті технологиялар нарығындағы көшбасшылардың бірі болып табылады. Оның негізін қалаушы жақында 79 жасқа толды, бірақ ол өзі ойлап тапқан технологияны жақсарту үшін зерттеулер мен сынақтарды жалғастыруда. «Біздің міндетіміз қазір тастап кету үшін тым маңызды», – деді Чак CNN-ге берген соңғы сұхбатында.

«20 жыл бұрын Мен жастарға жол беру үшін зейнетке шыққым келді. Мен мұны біраз уақыт жасадым. Екі-үш ай өтті, маған компанияның жаңа басшысы хабарласты. Ол маған қайта оралып, бірнеше техникалық мәселелерді шешу үшін жұмысты жалғастыруымды өтінді. Әрине, мен келістім және кез келген нәрсені жалғастырдым. Осы сәттен бастап бірнеше жыл өтті, бірақ мен кетуді де ойламаймын, өйткені 3D принтертехнологиясы әлі толық ашылмаған және адамзатқа әлі де көп нәрсе бере алады»,-деді Чак Халл.

Қазіргі уақытта 3D принтер дегеніміз не және бұл технологияның әлеуеті қаншалықты зор? 3D принтер өзінің өмір сүру кезеңінде көптеген өзгерістерге ұшырады. Бүгінгі таңда оны «аддитивті» технология деп те атайды. Бұл термин алғашқы 3D принтерлерден айырмашылығы, материал енді жойылмайтындығына, керісінше қабаттарға қосылатындығына байланысты қолданылады.

3-сурет. 3D принтермен жұмыс жасау барысы

3D принтерқалай жүзеге асырылады? Ең алдымен, арнайы бағдарламалық жасақтаманың көмегімен объектінің 3D моделін құру қажет. Ол үшін әртүрлі 3D модельдеу бағдарламаларын пайдалануға болады, олардың көпшілігін жүктеп алуға және орнатуға мүлдем тегін. Сандық (виртуалды) модель дайын болғаннан кейін, сіз оны кесуіңіз керек, яғни жасаңыз нысанды көлденең қабаттардың белгілі бір санына бөлу арқылы принтерге басып шығаруға дайындалу.

2-сурет. Заманауи 3D принтердің жұмыс жасау барысы

Осы әрекеттерді орындағаннан кейін сандық модельді дайын деп санауға болады. Файл 3D принтердің белгілі бір моделімен үйлесімді қажетті форматқа түрлендіріледі (немесе жай ғана сақталады), содан кейін ол материалды негізге қабаттастыра отырып, объект құра бастайды.

3D принтерге арналған ең көп таралған материалдар

Қазіргі заманғы 3D принтерлер әртүрлі материалдармен үйлесімді, бірақ қазіргі уақытта ең танымал ABS және PLA пластиктері болып саналады.

4-сурет. ABS және PLA пластиктері

ABS пластик - бұл оны құрайтын үш компоненттің-акрилонитрилдің (A), бутадиеномның (B) және истиролдың (s) құрметіне аталған материал. Айта кету керек, ABS пластикасы күн сәулесінің әсерінен еріп, ыдырауы мүмкін, сондықтан ол әрдайым жаппай өндіріске жарамайды. Екінші жағынан, материалдың бұл ерекшелігі ресурстарды үнемдеу мақсатында оны қайта өңдеуге мүмкіндік береді.

ABS-пластикті әртүрлі санаттағы бұйымдарды, соның ішінде кеңсе керек-жарақтарын, балалар конструкторларын, спорттық жабдықтарды (гантельдер, шайнектер және т.б.), бір реттік ыдыс-аяқ пен ас құралдарын, электротехникалық және тіпті автомобиль бөлшектерін жасау үшін пайдалануға болады.

PLA - бұл тағы бір 3D материал, оны «биологиялық ыдырайтын» немесе «биоүйлесімді» деп те атайды, өйткені оны жасау үшін тез жаңартылатын ресурстар қолданылады. Осындай материалдарды қолданудың арқасында ол ыдырауға бейім (уақыт өте келе) және бастапқы материалды алу үшін қайта өңдеуге болады.

PLA материалының басты "плюс"-оның тұрақтылығы. Бірдей ABS-тен айырмашылығы, PLA қауіпсіз және мүлдем улы емес, сондықтан балалар ойыншықтары мен бір реттік ыдыс-аяқтар жиі жасалады. Сонымен қатар, ол салыстырмалы түрде төмен жұмсарту температурасына ие, бұл 3D принтерүшін аз қуат шығынын қажет етеді.

PLA және ABS пластмассаларынан басқа, 3D басып шығаруға арналған көптеген басқа материалдар бар. Олардың ішінде қазір өндірістің әртүрлі салаларында белсенді қолданылатын нейлонды ерекше атап өткен жөн:

• медицина (протез жасау);

• электрохимия өнеркәсібі (полимерлі батареялар, аккумулятор сепараторлары);

• құю өндірісі (жаңа прототиптерді әзірлеу және жетілдіру үшін құю қалыптарының барлық түрлері);

• музыкалық аспаптар мен бөлшектер (ішектерді, медиаторларды жасау).

3D принтерлердің түрлері

3D принтерлердің түрлері өте көп және әртүрлі критерийлер бойынша жіктеуге болады. Міне, ең маңыздыларының кейбірі:

Кәдімгі принтерлердің бірнеше жанұялары бар сияқты, 3D принтерлерді де негізінен жіктеуге болады 3 топ:

Тинта: бұл қарапайым сия емес, целлюлоза немесе гипс сияқты ұнтақ қоспасы. Принтер модельді осы шаң конгломератынан құрастырады.

Лазерлік/жарық диодты (оптика): 3D шайырлы принтерлерде қолданылатын технология. Олар негізінен резервуардағы сұйықтықты қамтиды және шайырды қатайту үшін лазер әсеріне ұшырайды және қатайту үшін ультракүлгін сәулеленуге ұшырайды. Бұл жасайды шайыр (акрил негізіндегі фотополимер) қажетті пішіні бар тұтас бөлікке айналады.

Инекчион: негізінен пайдаланатындар жіптер (әдетте термопластикалық) мысалы, PLA, ABS, Тувалу, нейлон және т.б. Бұл отбасының идеясы - осы материалдардың балқытылған қабаттарын тұндыру арқылы пішіндерді жасау (олар өте әртүрлі болуы мүмкін). Нәтиже лазерге қарағанда баяуырақ және дәлдігі азырақ болса да, берік бөлік болып табылады.

Айта кеткен жөн, 3D принтер технологиясы әлі мінсіз емес. Күтпеген нәтижелерге әкелуі мүмкін бірнеше мәселелер бар. Мысалы, бірнеше бөлікті бір уақытта басып шығаратын принтер оларды бір-біріне жабыстыра алады. Тағы бір мәселе, бөліктің қабатты құрылысына байланысты төменгі қабат жоғарғы қабаттардың ауырлығына төтеп бере алмауы мүмкін, содан кейін бөліктің бұзылуы орын алады. Басып шығармас бұрын, нәтиже күткендей болатындай етіп компьютерлік модельді мұқият зерделеу керек.

TEVO Flash 3D принтері 0,4 мм саптамасы, дисплейі және жылытылатын платформасы бар бір volcano экструдерімен жабдықталған. Құрылыс аймағы 235x235x250 М. Баспа материалдары: ABS, PLA, PVA, TPU және басқа пластмассалар. Tevo Flash «қораптан тыс» сапалы басып шығаратын 3D принтерлер санатына жатады және бұған бірнеше артықшылықтарға ие:

• АВТО деңгейді қамтамасыз ететін beTouch ұшы;

• Z осінің синхрондалған қос қозғалтқыштары;

• Үстелді жылдам қыздыру (30 секундтан 60°дейін);

• Саптаманы екі жақты салқындату.

5-сурет. TEVO Flash 3D принтері.

Принтердің негізгі артықшылықтары: Үлкен қыздырылған баспа үстелі. Жылытудың арқасында Tevo Flash бірінші қабаттың адгезиясын қажет ететін материалдармен басып шығара алады-ABS, Flex, PVA. Ал үстел, оның мөлшеріне қарамастан, 90 секундта 90С дейін біркелкі қызады. Сондықтан іске қосылғаннан кейін принтер 2 минуттан аз уақыт ішінде басып шығаруға дайын.

6-сурет. TEVO Flash 3D принтерінде орындалған жұмыстар.

3D принтер технологиясы литофандар деп аталатын осындай кескіндерді қолмен жасау үшін тамаша. Литофания әдісі арқылы біз шамды жасап көрдік. Литофания-бұл ерекше шамдарды безендіру сияқты мөлдір фотосуреттер немесе сызбалар жасаудың көркемдік әдісі. 3D принтер технологиясы литофандар деп аталатын осындай кескіндерді қолмен жасау үшін тамаша. Фотосуреттерді немесе сызбаларды 3D принтермен көлемді, бедерлі кескіндерге айналдыру-кәдесыйлар мен естелік сыйлықтар жасаудың тамаша әдісі, бірақ литофания арқылы одан да әсерлі нәтижелерге қол жеткізуге болады. Литофандар-бұл мөлдір материалдардағы кескіндер, олар артқы жағынан жарықтандырылған кезде көзге жақсы көрінеді. Кескіндер рельефтің арқасында қалыптасады: материал неғұрлым жұқа болса, жарық соғұрлым жақсы енеді және керісінше.

Жұмыс жасау барысын айта кетер болсақ, Cura-ең танымал кескіштердің бірі, cure-де 3D литофан модельдерін жасау процесі жылдам және қарапайым, бірақ екінші жағынан, мамандандырылған бағдарламалар мен толық 3D редакторларында қол жетімді кейбір нәзік параметрлер жоқ. Бұл опцияны жаңадан бастаушылар үшін оңтайлы деп санауға болады. Әрине, бірінші қадам-компьютерге бастапқы суретті жүктеу. Cura іске қосыңыз, содан кейін кескінді кескішке импорттаңыз, «файлдар(файлдар) мәзірінен» файлдар (файлдар) «(Open File (s)...) таңдаңыз. 3D басып шығару кезінде кескіннің көрінісін анықтайтын параметрлері бар қалқымалы терезе пайда болады.

Әрі қарай біз параметрлермен жұмыс жасаймыз:

Биіктік (Height) - бұл литофанның қалыңдығы, өйткені модель тегіс жасалады. Қалыңдығы әртүрлі болуы мүмкін, бұл көрсеткіш ең алдымен 3D басып шығару үшін қолданылатын пластиктің мөлдірлігіне байланысты. Оңтайлы қалыңдықты тәжірибелік жолмен таңдау керек, бірақ бастапқы нүкте ретінде қалыңдығы 5 мм-ден аспауы керек.

Негіз (Base) - бұл сурет басылатын нәрсе, яғни литофанның артқы жағы. Негіздің қалыңдығы кескіннің қалыңдығына қосылады.

Ені (Width) және тереңдігі (Depth) - модель ауданының параметрлері. Модель тегіс көрсетілгендіктен, бұл екі параметр ені мен ұзындығын анықтайды.

Контраст (Contrast) - модель өлшемдерін орнатқаннан кейін контраст туралы шешім қабылдау керек. Шығу монохромды кескін болатындықтан, осы кезеңде литофан бастапқы суреттің негативін немесе позитивтілігін көрсете ме, жоқ па, соны шешу керек. Мұнда бәрі қарапайым: учаскелер неғұрлым қалың болса (яғни рельеф жоғары болса), соғұрлым олар қараңғы болады. Тиісінше, егер сіз "қараңғы — жоғары" (Darker is higher) таңдасаңыз, онда сіз позитивті, ал егер керісінше болса, онда түпнұсқа фотосуреттің негативін аласыз.

Түс моделі (Color Model) - мұнда екі таңдау бар — сызықтық (Linear) және мөлдір (Translucent). Негізінде, екі модель де жұмыс істейді, бірақ бастау үшін мөлдір үлгіні қолданып көріңіз: шолуларға қарағанда, ол ең жақсы нәтиже береді.

Тегістеу (Smoothing) - тегістеу неғұрлым жоғары болса, соғұрлым тегіс, бірақ кескін аз айқын болады.

П араметрлерді таңдағаннан кейін Cura кескінді 3D моделіне түрлендіреді, содан кейін файлды «кесіп», G кодын сақтауға болады. Мақаланың соңындағы кеңестермен танысқанша теруге асықпаңыз. Әзірге STL файлын 3D үлгісімен сақтаймыз.

7-сурет. 3D принтерде литофания әдісі арқылы жасалған шамдар

Жобаны сынып сағатында бөлісіп, «3D принтердің адам өмірін жеңілдетудегі рөлі» тақырыбында сауалнама алдым.

8-сурет. Оқушылардан сауалнама алу барысы.

Сауалнама нәтижесін көріп тұрғандай, 3D принтердің адам өмірін жеңілдетудегі рөлін 72% оқушы «орны орасан» деп, 24% оқушы «жұмыс күшін жояды», 4% оқушы «мүлде қажет емес» деген пікір қалдырған.

3D принтерлерді пайдалану қол еңбегін және қағазға сызбалар мен есептеулер жасау қажеттілігін толығымен жоюға және анықталған кемшіліктерді құру процесінде емес, тікелей әзірлеу кезінде жоюға мүмкіндік беретінін атап өткен жөн. 3D принтердің көмегімен модельдер жасауда дизайнға және пішіннің күрделілігіне ешқандай шектеулер жоқ, бұл сіздің қиялыңызды толығымен пайдалануға және жеке және түпнұсқа өнімді жасауға мүмкіндік береді. Өнімдер өте жеңіл, сонымен бірге оларды жасау уақыты аз. Бұл технология өзінің дамуы мен таралуында ғана қарқын алуда. Сонымен қатар, 3D принтер технологиясын ірі және қоғамға пайдалы жобаларда қолдану барысы жүріп жатқанын да назардан тыс қалдыруға болмайды. Бұл технология болашақтың технологиясы екені сөзсіз.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер

2.  Борисов В., Жигин А., инновации и конкурентоспособность // Экономист,  2000, №8. (http://www.nasledie.ru/ipravo/index)

3. Производство российских 3D принтеров спотыкается о стереотипы. - Режим доступа: http://expert.ru/2014/03/25/proizvodstvo-rossijskih-3d-printerov-spotyikaetsya-o-stereotipyi.

4. Рынок 3D принтеров вырастет на 500% за 5 лет. - Режим доступа: http://www.vestifinance.ru/articles/41306.