Журнал «Вокруг Света» №01 за 2008 год
Шрифт:
В 1981 году английский палеонтолог и популяризатор Дугал Диксон выпустил книгу «После человека», по сюжету которой люди истребили всех сколько-нибудь крупных животных, а затем исчезли сами. Уцелевшие представители фауны принялись заполнять освободившиеся ниши, бурно эволюционируя и порождая причудливые формы. В частности, самым универсальным, распространенным и успешным хищником мира Диксона стало волкоподобное существо — прямой потомок серой крысы. Глядя на нее сегодняшнюю, в это нетрудно поверить.
Борис Значков
Фабрика в каждый дом
Сегодня
В1984 году американский инженер Чак Халл (Chuck Hull) запатентовал принцип стереолитографии, который сегодня стал самой известной технологией трехмерной печати. Основанный на ней фабрикатор состоит из камеры синтеза, лазерного блока и управляющего компьютера, который по трехмерной цифровой модели объекта строит набор его послойных сечений и управляет механическими узлами устройства. Синтез начинается с того, что камера заполняется жидким светоотверждаемым полимером (вроде тех, что используются для зубных пломб). Под самой поверхностью жидкости, на глубине в доли миллиметра — это толщина первого слоя синтезируемого объекта — располагается стальная платформа-элеватор. Затем лазерный луч сканирует поверхность полимера в соответствии с текущим сечением модели, и жидкость под действием света переходит в твердую фазу. По завершении сканирования первого слоя элеватор немного опускается и лазерное сканирование повторяется. При наличии в геометрии объекта нависающих частей для их поддержки в процессе синтеза создаются тонкие опорные элементы, которые потом удаляются. Сформированный объект обрабатывается мощным ультрафиолетовым излучением для достижения максимальной прочности.
Данная технология реализована в устройствах американской компании 3D Systems. Аналогично работают фабберы японских фирм CMET, D-MEC, Mitsui, Teijin Seiki и германских EOS, Fockele & Schwarze. Обычно так изготавливают модели различного оборудования на стадии разработки дизайна. Но сфера применения фабберов гораздо шире, а эксперты насчитывают более трех десятков различных технологий, лежащих в основе их работы. Большинство из них похожи и порождены в основном для обхода чужих запатентованных решений, но каждая характеризуется своим набором материалов, точностью и быстротой изготовления деталей. Пока трудно сказать, какие из них победят в конкурентной борьбе.
В целом возможности технологии Z Corporation выходят за рамки концептуального моделирования. Например, детали, пропитанные специальной смолой ZR10 (цианоакрилат), могут служить мастер-моделями для литейных форм. А на гипсовые и крахмальные детали можно нанести токопроводящее гальванопокрытие и использовать для отработки конструкции внутрикорпусных антенн сотовых телефонов.
Волшебная нить
Сплавляющее экструдерное осаждение (Fused Deposition Modelling, FDM, дословно: «моделирование распределением расплава»), одна из самых популярных фаббер-технологий, было изобретено в 1989 году Скоттом Крампом (Scott Crump), соучредителем американской компании StrataSys. Пластмассовая, воскообразная или эластомерная нить расходного материала сечением 0,05 миллиметра и более подается в локально разогреваемую область в экструдере (сопле), разжижается, осаждается на поверхность и мгновенно затвердевает. Управляемое компьютером движение экструдера приводит к построчному формированию трехмерного объекта. Для создания нависающих элементов служит второй экструдер, подающий воск для элементов поддержки, которые потом удаляются. Наряду с промышленными устройствами StrataSys выпускает по FDM-технологии 3D-принтеры, способные создавать изделия любого цвета за счет использования нескольких цветных материалов (белого, синего, желтого, черного, красного и зеленого). В 2006 году из трех тысяч 3D-принтеров, проданных в мире, свыше половины были поставлены компанией StrataSys.
Сотворение из порошка
Технология селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, SLS) отличается от стереолитографии тем, что объект создается не в жидкой, а в порошковой среде. Подвижный картридж насыпает на горизонтальную платформу тонкий слой мелкодисперсного порошка, а мощный лазер сканирует соответствующее сечение объекта, вызывая размягчение и спекание частиц. Затем из картриджа укладывается новый слой порошка. По окончании синтеза незадействованный порошок можно использовать повторно. Достоинство этого метода состоит в том, что для формирования нависающих элементов не нужны поддерживающие элементы, поскольку изделие покоится в порошковой среде.
Метод запатентовал в октябре 1986 года студент-магистрант Техасского университета Карл Декард (Carl Deckard). В своей разработке он отталкивался от предложенного в 1971 году французом Пьером Сиро (Pierre Ciraud) порошкового процесса, в котором частицы постоянно подаются в зону работы лазеров. Первая коммерчески успешная машина Sinterstation 2000, появившаяся в 1992 году, создавала из воска или поликарбоната объекты диаметром до 305 миллиметров и длиной до 410 миллиметров. Современные установки подобного типа используют также поливинилхлорид, нейлон, керамику и даже металл — главное, чтобы вязкость вещества уменьшалась при нагреве. В некоторых моделях вместо лазера применяется тонкий пучок электронов или плазмы.
Модели будущих углеродно-волоконных офисных зданий, изготовленные методом селективного лазерного спекания
Серьезный недостаток лазерного спекания — необходимость вести процесс в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе. В новом комплексе Sinterstation Pro компании 3D Systems, способном создавать детали размером более полуметра (максимум 550х550х750 мм), все процедуры осуществляются автоматически, а необходимый для создания инертной среды азот выделяется из окружающего воздуха. Стоит такая установка свыше миллиона долларов.
Немецкая компания EOS достигла больших успехов в синтезе металлических изделий. Одно из последних достижений — фаббер EOSINT M 270, работающий с порошками бронзы и инструментальной стали. Со скоростью от 7 до 70 см3 в час он формирует из них детали размером до 250х250х215 миллиметров.В планах заявлена работа с пудрой из титановых и хром-кобальтовых сплавов. Погрешность производства не превышает 50 микрон, а шероховатость поверхностей менее 9 микрон. Причем полученные детали имеют прочность на разрыв до 1,1 гигапаскаля — всего вдвое меньше, чем стальные, и на порядок больше, чем у продукции самых первых фабрикаторов. И все же спеканием порошка не достичь прочности монолитного материала. На помощь приходит родственный процесс селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM), продвигаемый на рынок англий
ской компанией MCP Tooling Technologies. В нем металлические частицы полностью расплавляются под воздействием лазерного излучения, что обеспечивает высокую плотность структуры изделий. Расплачиваться за это приходится снижением скорости и точности синтеза. Фабрикатор MCP Realizer формирует за час всего около 10 см3 изделия с шероховатостью поверхности 10–30 микрон. Зато ассортимент материалов включает цинк, бронзу, сталь, титановые и хром-кобальтовые сплавы, золото, а в ближайших планах работа с алюминием и инструментальными сталями.