Сломалась, к примеру, у меня ручка от шкафа. Ищу в гугле похожую 3D-модель или вообще делаю свой дизайн, иду на балкон, включаю родной 3D-принтер и через несколько часов достаю тепленькую новую деталь. Это миф или ближайшее будущее? По крайней мере, ученые уже предложили методику повышения, как минимум вдвое, прочности 3D-изделий. Основана она на изучении связи между температурными параметрами процесса печати и свойствами готовой детали. Разберемся?
Метод, предложенный молодыми учеными НИТУ «МИСиС» и даже опубликованный в международном научном журнале Rapid Prototyping Journal, в принципе, открывает реальную перспективу создания «на дому» нужных бытовых предметов, по качеству сопоставимых с фабричными.
Процесс печати даже не полимером — глиной
Сегодня среди машин аддитивного производства доминируют относительно простые и недорогие аппараты настольного формата, как правило, относящиеся к категории open source hardware и работающие по принципу распределения расплава термопластического полимера.
Это те самые вездесущие 3D-принтеры, ставшие неотъемлемой частью современного хакспейса или молодежного кружка технического творчества, обосновавшиеся в гаражах и на кухнях энтузиастов-мейкеров. Несмотря на скромные габариты и низкую стоимость, средний настольный 3D-принтер имеет весьма приличный производственный потенциал. Годовая производительность аппарата превосходит 100 кг полимерных изделий. Это примерно в 2 раза больше количества производимых фабриками полимерных продуктов на одного жителя планеты ежегодно.
А здесь — печать пластиком, то самое «распределения расплава термопластического полимера»
Иными словами, теоретически персональный 3D-принтер может полностью покрыть потребности своего владельца в пластмассовых продуктах. В то же время, пока не слышно о заметном использовании настольных 3D-принтеров для производства потребительских продуктов, и мои соседи на балконах табуреты не печатают.
Одна из причин такой недооценки потенциала этого класса устройств — это дефицит доверия к ним со стороны дизайнеров и инженеров. Распространено (и, по-честному, не безосновательно) мнение, что прочность полимерных изделий, полученных настольной 3D-печатью, несопоставимо мала в сравнении с прочностью аналогичных предметов, произведенных традиционно, на заводе.
Резиденты лаборатории цифрового производства Fab Lab НИТУ «МИСиС» считают, что это, мягко говоря, не прогрессивная точка зрения.
«Все дело в отношении, — говорит руководитель Fab Lab НИТУ «МИСиС» Владимир Кузнецов – Если перестать относиться к настольному аппарату как к принтеру, то есть к устройству, с помощью которого можно получать «распечатку» — объемную реплику компьютерной модели и начать относиться к нему, как к программно контролируемому и перемещаемому в трех осях экструдеру, то есть к производственной машине, то изменится сама парадигма.
У идеального принтера должна быть только одна кнопка = print, все процессы превращения компьютерного файла в «распечатку» скрыты от пользователя. Идеальная производственная машина, напротив, должна представлять пользователю полный контроль над технологическими параметрами процесса».
Команда Fab Lab НИТУ «МИСиС»
Молодые инженеры и ученые Fab Lab НИТУ «МИСиС» исповедуют аналогичный принцип и активно работают над преобразованием обычного 3D-принтера в реальное средство производства.
«В опубликованной работе мы показали, что значительно повысить прочностные характеристики полимерного изделия можно, обеспечив достаточно высокую температуру на границе между формирующимся и предшествующим ему слоем детали, — рассказывает один из соавторов исследования аспирант кафедры материаловедения цветных металлов Азамат Тавитов, — В свою очередь, воздействовать на температуру на границе слоев мы можем, меняя температуру сопла, скорость печати, интенсивность обдува детали и даже количество одновременно печатающихся изделий.
Еще один ключевой параметр, влияющий на прочность сцепления между слоями и, соответственно, на прочность всего изделия — это эффективность экструзии. Оптимизировав эти параметры, мы улучшим сцепление между слоями детали, то есть можем вплотную приблизить прочность на межслойной границе к прочности самого материала. Как показало исследование на конкретных кейсах, вне зависимости от геометрии изделия или способа нагружения, оптимизация температурных параметров процесса дает заметные результаты — прочность деталей по сравнению с референсными, напечатанными по дефолтным параметрам возрастает до двух раз».
Владимир Кузнецов и Азамат Тавитов
Вдвое – наверное, пока недостаточно, чтобы напечатать не ручку, а например, створку пластикового окна. Однако, тенденция налицо. В настоящее время коллектив продолжает шагать к распределенному производству и проводит экспериментальные исследования полимерной печати, изучая взаимосвязь геометрии компьютерной модели и прочности готового изделия.
Пока же обнаружилось, что если владелец 3D-принтера готов из пользователя превратиться в заинтересованного технолога, то этот демократичный инструмент вполне позволит производить надежные изделия с высокими прочностными характеристиками и, как выражаются сами технологи, «предсказуемым поведением под нагрузкой». И тут уже — да здравствует индивидуальность и креатив.
Ну что, пойду освобождать место на балконе? Правда, придется осваивать 3D-премудрость, но это уже другая история.
