Трехмерное моделирование давно стало неотъемлемой частью создания сложных архитектурных и технологических объектов. После разработки следует обязательное воплощение 3D-модели в твердой копии, что ранее требовало длительного времени и труда нескольких специалистов. На сегодняшний день появилась практическая возможность ускорить этот процесс - с помощью технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping).
Вместо более точного термина Rapid Prototyping (RP) зачастую предпочитают употреблять понятие «трехмерная печать» (3D-printing, 3DP). В сущности, это почти верно, если смотреть на процесс со стороны - аналогия с обычным принтером появляется сразу же, особенно если учесть внешнее сходство устройств.
Основным преимуществом трехмерной печати перед традиционными способами создания макетов является скорость. Для сравнения: изготовление модели вручную или с применением станков может занять несколько недель или даже месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку изделия и существенному увеличению сроков выпуска новой продукции, тем более если при проектировании были допущены ошибки.
Этих недостатков практически лишены системы быстрого прототипирования, поскольку с их помощью готовую модель можно получить за несколько дней, часов или минут - в зависимости от ее сложности. Современные требования к срокам разработки и выпуска готовой продукции привели к тому, что многие из известных брендов (например, Adidas, Audi, BMW, Ford, Fisher-Price, Lufthansa, Sony, Volkswagen) уже взяли ее на вооружение.
Базовые технологии
На сегодняшний день существует достаточно много технологий, реализующих требуемое; мы же ограничимся описанием тех, которые получили самое широкое распространение.
3D-printing
Трехмерная печать, пожалуй, наиболее близкая к обычной, была разработана и запатентована профессором Эли Саксом в конце 80-х годов прошлого столетия. В ходе процесса красящее и связующее вещества через струйные печатающие головки распределяются в соответствии с заданной программой по предварительно нанесенному тонкому слою порошка и сразу застывают.
 |
| Устройство для создания 3D-объектов весьма напоминает обычный принтер профессионального класса. На фото - первый в Украине Contex DESIGNmate Cx |
После завершения формирования одного уровня и автоматической проверки его толщины начинается работа над следующим. В зависимости от типа клея и порошка свойства модели будут отличаться - ее даже можно сделать эластичной или применять в качестве формы для литья.
Надо сказать, что созданные по технологии 3DP объекты имеют довольно грубо текстурированную поверхность и меньшую прочность, чем изготовленные посредством RP-систем иных типов, однако эти недостатки устраняются с помощью ручного финиширования - пропитки клеем, воском или другими специальными веществами. Зато времени на печать такой модели уходит в 5-10 раз меньше, чем при использовании других технологий быстрого прототипирования.
В настоящее время лицензии, дающие право производить такие устройства, имеют шесть компаний. Крупнейшая из них - ZCorporation - представлена на украинском рынке под брендом датского производителя широкоформатных сканеров Contex. Модельный ряд состоит из двух принтеров, монохромного - DESIGNmate Mx и полноцветного - DESIGNmate Cx стоимостью от 40 тыс. долл.
Трехмерная печать: области применения
Наиболее перспективным для внедрения трехмерной печати считается рынок геоинформационных систем, где с ее помощью с минимальными погрешностями создаются планы местностей, проекты зданий или ландшафтов. К примеру, 3D-модель незаменима для анализа и презентации градостроительных проектов, историкам она предоставит возможность воссоздать облик древнего города, а экологам - оценить последствия воздействий на окружающую среду.
Свойство быстро синтезировать необходимое количество учебных моделей позволяет решить многие проблемы образовательного сектора. Кроме того, RP уже довольно широко используется в медицине для создания макетов внутренних органов, протезов и имплантантов, в технологических процессах - для одноразовых литейных форм. В автомобильной отрасли трехмерные макеты могут применяться не только для визуальной оценки, но и для проведения некоторых функциональных тестов (например, продувки будущего автомобиля в аэродинамической трубе). Отдельного внимания заслуживают маркетинговые аспекты RP - от повышения качества работы с клиентами (благодаря демонстрации полноцветных прототипов продукции) и до трехмерной рекламы. Кстати, как раз данная сфера и может стать «местом встречи» двух- и трехмерной печати, где последняя возьмет на себя часть заказов первой.
Пожалуй, один из наиболее экзотических вариантов применения RP - это индивидуальная печать обуви. О начале предоставления таких услуг, которые пока рассчитаны на профессиональных спортсменов, объявила лондонская Prior 2 Lever (P2L). Идея заключается в том, что форма ноги потенциального владельца кроссовок сканируется лазером с целью построения цифровой модели, а затем заказчику следует надеть специальные сенсорные стельки и выполнить ряд упражнений. На основе полученной информации и «строится» обувь посредством послойного лазерного спекания.
Не за горами и печать приборов вместе с электронной начинкой - во всяком случае ученые уже работают в данном направлении. Для этого принтер должен стереолитографическим методом слой за слоем наносить проводящие и полупроводящие полимеры, формируя нужные схемы, пока из машины не выйдет готовый гэджет. А то, что он не будет подлежать ремонту, - служит лишь подтверждение тенденции, которую уже успели окрестить «приближением одноразового общества».
Стереолитография (Stereolithography - STL)
В середине 80-х годов Чарльз Халл (Charles Hull) усмотрел идею своей RP-системы в свойстве фотополимеров затвердевать под воздействием ультрафиолетового излучения. STL-установка оснащена контейнером с жидким полимером, в который погружается плоская полочка так, чтобы она едва выглядывала.
Под действием управляемого компьютером излучения происходит затвердевание слоя толщиной в несколько сотых миллиметра, при этом полочка опускается вниз и снова покрывается жидкостью. Далее все повторяется - в результате ультрафиолетовый луч «рисует» объемную фигуру.
Именно такой процесс получил наибольшее распространение среди других RP-систем. Пожалуй, самое существенное его неудобство - необходимость создания поддерживающих элементов, если площадь верхнего поперечного сечения детали больше нижнего. Получив патент на стереолитографию, Халл основал коммерческую компанию 3D Systems, которая в 1987 г. представила общественности первый STL-принтер. Доля продукции этой компании, предлагающей ряд установок разного типа стоимостью от 65 до 490 тыс. долл., немного меньше половины всего рынка RP-систем.
Селективное лазерное спекание
(Selective Laser Sintering - SLS)
Метод SLS был изобретен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г. и используется такими компаниями, как, например, DTM Corporation и EOS. Суть технологии заключается в послойном спекании лазерным излучением порошкового материала. В рабочей камере он предварительно подогревается, чуть не доходя до температуры плавления. После разравнивания порошка по поверхности зоны обработки CO2-лазером спекается требуемый контур, далее насыпается новый слой, разравнивается, и процесс повторяется. Готовая модель извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются.
Использование широкого спектра недорогих и нетоксичных материалов (порошковые полимеры, литейный воск, нейлон, керамика, металлические порошки), низкие деформации и напряжения, возможность одновременно делать сразу несколько моделей в одной камере - все это обеспечивает SLS довольно высокие рейтинги на рынке систем быстрого прототипирования. Однако при этом полученные изделия имеют шероховатую и пористую структуру, а при изменении материала требуется чистка всей камеры. Стоимость установок - около 400 тыс. долл.
Послойная заливка экструдируемым расплавом (Fused Deposition Modeling - FDM)
Идея создания процесса принадлежит Скотту Крампу (Scott Crump), который вскоре после этого изобретения, в конце 80-х, вместе со своей женой основал компанию Stratasys. Основной частью принтера, появившегося на рынке в 1991 г., является экструдирующая головка. В ней материал (литейный воск или пластик, поступающие на катушках) предварительно нагревается до температуры плавления и подается в зону печати. Головка перемещается по двум координатам, синтезируя определенный слой модели. Затем платформа опускается, создается следующий слой и т. д. В качестве плюсов FDM можно отметить: легкость перестройки с одного нетоксичного материала на другой, низкие затраты и достаточно высокую производительность, малые температуры переработки, а также минимальное вмешательство оператора в функционирование оборудования.
В то же время данная технология не лишена и недостатков: между слоями образуются швы; головка экструдера должна постоянно двигаться, иначе материал застынет и засорит ее; возможно расслоение в случае температурных колебаний в течение цикла обработки. Ориентировочная стоимость FDM-принтера 50-220 тыс. долл.
Послойное формирование объемных моделей из листового материала (Layer Object Manufacturing - LOM)
 |
| Для изготовления подобной ландшафтной модели вручную потребовалась бы не одна неделя кропотливого труда. При помощи технологий быстрого прототипирования эта процедура занимает считаные часы |
LOM-технология была изобретена Михаилом Фейгеном (Michael Feygin) в 1985 г., а сегодня на ее основе производят промышленные установки такие фирмы, как Helisys, Paradigm и Sparx AB. Листовой материал (бумага, пластик, керамика, композиты или полиэстер) раскраивается по заданному контуру с помощью CO2-лазера (можно одновременно раскраивать более одного листа, однако точность при этом уменьшается), а затем нагреваемый валик осуществляет склеивание слоев. При ошибке в процессе синтеза объемного изделия часть слоев можно удалить. LOM-установки, ориентировочная стоимость которых колеблется в пределах 90-250 тыс. долл., позволяют применять широкий диапазон недорогих листовых материалов и синтезировать модели с минимальными деформациями благодаря отсутствию физико-химических превращений.
Однако из-за того, что лазер не всегда полностью прорезает лист, усложняется удаление отходов и даже не исключено повреждение деталей, а свойства материала могут изменяться. Шероховатую поверхность изделия трудно обрабатывать из-за возможности расслоения, а в помещении необходима вентиляция.
Послойное уплотнение (Solid Ground Curing - SGC)
 |
| Несмотря на «игрушечность», такая модель превосходно иллюстрирует возможности современных 3DP-систем |
Процесс был разработан израильской фирмой Cubital в 1987 г. и по своей сути подобен фотокопии. С помощью специального тонера на избирательно заряженной стеклянной пластине создается фотомаска (шаблон) основания модели. Эта фотомаска размещается над тонким слоем фотополимера, распределенным по поверхности рабочего стола, после чего экспонируется ультрафиолетовой лампой. В результате слой фотополимера, который соответствует используемому в данный момент шаблону, затвердевает; жидкие остатки удаляются, а полости заполняются расплавленным воском, и он быстро застывает.
Затем процесс повторяется: создается фотошаблон для следующего сечения, по рабочему столу распределяется новый слой фотополимера и т. д. SGC-технология обладает рядом неоспоримых преимуществ: модели синтезируются без подпорок и не требуют дальнейшей обработки; процесс можно приостановить, чтобы удалить дефектные слои, и позже возобновить его.
Интересные перспективы открывает также возможность создавать объекты с движущимися составными частями. Стоит отметить, что эта установка очень тяжелая, шумная и требует постоянного присутствия оператора. Ряд проблем связан с полимерами: их выбор ограничен, они дороги, токсичны, а при перегреве повторное использование этих материалов становится невозможным. На рынке представлены два устройства такого типа: Solider 4600 и 5600, их стоимость - соответственно 275 и 470 тыс. долл.
Немного выводов
Профессиональные системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками, которые пока не имеют бытового применения, хотя и у рядового пользователя для трехмерного принтера нашлось бы немало работы. Впрочем, первый лазерный принтер тоже стоил несколько сот тысяч долларов.
Пока что наиболее доступны принтеры твердотельных объектов (3D-printer), строящие физические модели из недорогого материала с помощью одной или нескольких струйных головок подобно обычному принтеру. Конечно, они не обеспечивают высокой точности и прочности готового прототипа, но их механических свойств вполне достаточно для визуализации. Зато стоимость объекта, изготовленного на таком 3D-принтере, всего $5-10 долл.
Для размещения устройства не требуется ни специальных приспособлений, ни помещений: как и обычный принтер, они могут устанавливаться непосредственно в офисе, у рабочего места 3D-художника или конструктора. Кроме того, 3D-принтеры не используют вредных материалов и процессов.
Быстрое изготовление прототипов уже стало важнейшей частью процесса проектирования. Расширение использования компьютерного твердотельного моделирования обеспечивает быстрое распространение описанных технологий и снижение их рыночных цен, повышаются качество материалов и точность изготовления моделей. Все это говорит о том, что технологии и системы 3D-печати будут занимать все большее место в нашей жизни, и в недалеком будущем RP-системы станут доступны любому пользователю и превратятся в привычный инструмент художника и конструктора.