ПОЛИМЕРНАЯ 3D-ПЕЧАТЬ: ИСТОРИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ (ОБЗОР)

Муравский Андрей Александрович; Аликин Михаил Борисович; Дворко Игорь Михайлович; Лавров Николай Алексеевич

УДК 66.02: 678.7

A.A. Muravskiy, M.B. Alikin, I.M. Dvorko, N.A. Lavrov

POLYMER 3D PRINTING: HISTORY, CLASSIFICATION AND CURRENT DEVELOPMENT TRENDS (REVIEW)

St.Petersburg State Institute of Technology, St.Petersburg, Russia

The article presents the history of the emergence of additive technologies. The main stages of that process were highlighted. Scientists who made a significant contribution to the formation and progress of three-dimensional printing were named. Modern progress trends were described. Data on additive technologies were systematized. The characteristics and features of the main methods of polymer 3D printing were given. The problem of classification of additive technologies were considered.

Key words: additive technologies, additive manufacturing, 3D polymer printing, stereolithography, fused deposition modeling

DOI 10.36807/1998-9849-2023-64-90-58-66

Введение

Полимерная 3D-печать относится к аддитивным технологиям (Ат). Данный вид технологий предполагает изготовление физического объекта (детали) методом послойного нанесения («add» от англ., добавление) материала [1]. Такой процесс также называют «выращиванием» из-за своей постепенности. По сравнению с традиционными методами, где формирование изделия происходит путём удаления «всего лишнего» из массива заготовки, аддитивные технологии, зачастую, имеют значимые преимущества, которые заключаются в меньшем расходе материала и возможности создания сложных структур (от скульптур и сверхточного макетирования до изделий с трижды периодической минимальной поверхностью).

Некоторые исследователи отмечают, что полимерная 3D-печать по принципу создания объекта ближе всего к литью под давлением. Однако, в отличие от него, аддитивное производство не нуждается в специальных оснастках и формах [2]. При этом, стоит заметить, что некоторые методы фотополимерной печати, в сочетании со специальными материалами, позволяют производить эти самые формы для литья под давлением [3]. Несмотря на то, что данные изделия не предназначены для большого серийного производства, они способны решить другие задачи. Например, мелкосерийные отливки (как правило до нескольких сотен) и макетное создание форм для изделий сложной геометрии.

Современные аддитивные технологии с большой скоростью захватывают новые сферы деятельности человека. Использование 3D-принтеров стало нормой, а иногда и решением, не имеющим альтернатив, во многих отраслях промышленности: от дизайнерской и кондитерской до ракетной и аэрокосмической. Создание изделия по данному виду технологий имеет ряд общих этапов, присущих каждому отдельному методу 3D-печати. Этот процесс можно разделить на две стадии: цифровое проектирование и непосредственно аддитивное производство изделия (Рисунок 1). Первая, в свою очередь, состоит из создания CAD-модели, её перевода в STL-файл,

Муравский А.А., Аликин М.Б., Дворко И.М., Лавров Н.А.

ПОЛИМЕРНАЯ 3D-ПЕЧАТЬ: ИСТОРИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ (ОБЗОР)

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Россия

[email protected]

Представлена история возникновения аддитивных технологий. Выделены основные этапы этого процесса. Названы учёные, внёсшие значительный вклад в формирование и прогресс трёхмерной печати. Описаны современные тенденции развития. Систематизированы данные об аддитивны технологиях. Приведены характеристики и особенности основных методов полимерной 3D-печати. Рассмотрена проблема классификации аддитивных технологий.

Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивное производство, полимерная трёхмерная печать, стереолитография, моделирование послойным наплавлением

Дата поступления - 25 октября 2022 года Дата принятия - 26 декабря 2022 года

последующего редактирования и нарезание на слои, в результате чего происходит перевод в формат, соответствующий используемому прибору. А вторая заключается в 3D-печати и финишной обработке. В итоге получается готовое изделие. При этом, каждая технология имеет свои отличительные черты не только на этапе послойного построения физического изделия. Так, методы, основанные на фотополимеризации в ванне, характеризуют сложный процесс постобработки, состоящий в очистке от остатков жидкого фотополимера, удалении поддерживающих конструкций, шлифовке и доотверждении. В этом случае изменяется и стадия цифрового проектирования, в неё добавляется этап построения опор. А при селективном лазерном спекании (SLS) финишная обработка, как правило, заключается лишь в очистке изделия от остатков порошкового материала.

Рис. 1. Стадии аддитивного производства изделия

Аддитивные технологии принципиально изменили процессы проектирования и конструирования изделий. В некоторых странах Европы и в США 3D-принтеры стали почти такими же привычными и распространенными, как персональные компьютеры. Большой рост интереса к аддитивным технологиям наблюдается и в России.

Полимерная 3D-печать занимает значимое место как в аддитивных технологиях, так и в современной промышленности. Объясняется это широким спектром материалов, что, в свою очередь, ведёт как к большой вариативности свойств получаемых изделий, так и к различным путям их создания (методам 3D-печати) [2]. Эти особенности делают данный вид аддитивных технологий незаменимым во многих отраслях промышленности. Отдельно стоит отметить машиностроение, медицину, авиационную и ракетно-космическую отрасль, в которых 3D-печать стала весьма значима в настоящем, и в которых именно с ней связывают значимые разработки в обозримом будущем [4 - 6]. При этом, до сих пор отсутствует достаточное количество нормативных документов, регламентирующих полимерное аддитивное производство и предоставляющих подробную дефиницию и однозначную дифференциацию понятий, характерных для него. Это, несомненно, затрудняет развитие данной отрасли с научной стороны. Что, наряду с её быстрым ростом и укреплением позиций в экономической сфере вообще и отдельных направлениях (машиностроение, медицина, строительство и т.д.) в частности, является актуальной проблемой. Её решение необходимо начать с систематизации данных об аддитивных технологиях, что и является целью данной работы. Для этого необходимо проследить исторические тенденции возникновения и развития трёхмерной печати; на их основе выделить как базовые методы, так и технологии, возникшие посредством их модернизации, подробно описав характерные черты каждой; определить современные особенности и проблемы аддитивных технологий.

История развития полимерных аддитивных технологий

Полимерная 3D-печать появилась в конце XX века, но история её возникновения уходит в прошлое более чем на 160 лет и связана с развитием таких технологий, как фотоскульптура и топография.

Фотоскульптура была предложена Франсуа Вил-лемом в 1860 году. Вокруг объекта располагали фотокамеры. Изображения, полученные с них одновременным фотографированием, проецировали на полупрозрачный экран, где обрисовывался контур при помощи пантографа, связанного с режущим инструментом, который удалял модельный материал - глину [7]. Это изобретение заложило идею послойного воссоздания объекта, используемую во всех современных аддитивных технологиях.

Способ изготовления топографических макетов - трёхмерных карт поверхности местности был предложен Йозефом Блантером в 1890 году. Суть метода заключалась в следующем: из тонких восковых пластин по контурным линиям топографической карты вырезались фрагменты, соответствующие воображаемому горизонтальному сечению объекта, затем эти пластины укладывались друг на друга в определенном порядке и склеивались. Получалось полное послойное воссоздание холма или оврага. После этого поверх полученных фигур накладывали бумагу и формировали макет отдельного элемента ландшафта, который затем уже в «бумажном» виде располагали в соответствии с исходной картой [8]. Данное изобретение можно вправе считать прообразом LOM (Laminated Object Manufacturing - печать объектов методом ламинирования).

Ещё одним важным шагом на пути к современным аддитивным технологиям стал подход, который предложил в 1951 году Отто Мунц. Его система использовала поршневой механизм для последовательной избирательной засветки и отвердевания фотополимера по сечениям

сканируемого объекта [9]. Данный механизм впоследствии лёг в основу такого промышленно важного метода, как SLA (Stereolithography - стереолитография).

В 1977 году Вин Келли Суэйнсон предложил способ получения трехмерных объектов посредством отверждения фоточувствительного полимера в точке пересечения двух лазерных лучей [10]. В настоящее время эта технология развилась в один из самых современных и наиболее точных методов BD-печати - MPP (многофотонная полимеризация).

В 1980-х годах возникают технологии BD-печати. Большинство учёных сходятся во мнении, что зарождение современных аддитивных технологий связано с именем Чарльза Халла. В 1984 году он подал заявку на патент, который был опубликован в 1986 году, в котором предложил аппарат для послойного синтеза трёхмерных структур с использованием ультрафиолетового излучения от лазера, сфокусированного на тонкий слой фотополимерной смолы (SLA) [11]. Он же и ввел в оборот термин «стереолитография».

Однако, не он один занимался исследованиями в данной области. Стоит также упомянуть о других учёных, сделавших значимый вклад в развитие данной технологии. В 1980 году Хидео Кодама, доктор муниципального промышленного исследовательского института в Нагоя, подал заявку на регистрацию патента на устройство, которое с помощью УФ-засветки послойно формировало жесткий объект из фотополимерной смолы. В 1983 году трое инженеров — Ален Ле Миуте, Оливье де Витт и Жан-Клод Андрэ из французского национального центра научных исследований, в попытке создать то, что они называли «фрактальным объектом», пришли к идее использования лазера и мономера, который под воздействием лазера превращался в полимер. Заявку на патент они подали за три недели до американца Чарлза Халла [7].

Помимо стереолитографии в 80-е годы прошлого века был создан аппарат для селективного лазерного спекания (SLS). Патент был разработан Карлом Декар-дом в 1986 году, но опубликован только в 1997 году [12]. Данным способом можно получать изделия не только из полимерного, но и из металлического порошка.

А уже в 1987 году Михаэль Фейген подал патент на устройство и способ формирования цельного изделия из ламинатов (LOM), который был опубликован в 1988 году [13]. С одной стороны, сейчас данным методом можно получать изделия из самого разнообразного материала, в том числе из бумаги и пластика. С другой стороны, LOM не обладает преимуществами экономичного расходования материала и возможностью создания изделий сложной формы, по сравнению с остальными методами BD-печати.

В 1989 году Скотт Крамп запотентовал устройство и способ создания объёмных объектов методом послойного наплавления (FDM), который был опубликован в 1992 году [14]. Данный способ в настоящее время является одним из самых распространённых среди аддитивных технологий. Причина этого, главным образом, в доступности и простоте технологии и широком спектре материалов, которые могут быть переработаны таким способом. К ним относятся большинство термопластов.

В том же 1989 году группой изобретателей из MIT была разработана технология 3DP, которая заключается во впрыскивании связующего на выбранные области слоя порошкового материала с получением связанного композита, соответствующего поперечному сечению трёхмерной модели. Путём повторений данной операции происходит создание трёхмерной детали [15].

Таким образом, 1980-е годы стали наиболее важными в истории развития BD-печати. Именно в этот период были разработаны основные технологии: SLA, SLS, LOM, FDM, 3DP. Главной причиной такого бурного роста новых методов аддитивного производства стало возник-

новение первого микропроцессора в начале 1970-х и дальнейшее развитие компьютерных технологий в сочетании со стремлением их повсеместного использования [16]. И если период до 1980 года можно назвать этапом зарождения идей, в котором происходит формирование основных концепций, лежащих в основе современного аддитивного производства; то временной отрезок с 1980 по 1990 года можно считать периодом становления непосредственно самой 3D-печати.

Дальнейшее развитие аддитивных технологий шло 2 главными направлениями. Во-первых, разработка новых методов 3D-печати. Во-вторых, создание новых материалов с определёнными характеристиками под имеющиеся технологии и потребности рынка.

Последнее десятилетие прошлого века ознаменовалось началом производства промышленных моделей полимерных 3D-принтеров крупными компаниями, активно занимающимися разработкой новых технологий, расширяющих потенциал данной области. Самыми крупными и значимыми из них являлись 3D Systems и Stratasys. Данные компании продолжают активно развиваться и в настоящее время. Так, по данным на 2016 год первой принадлежало более 1300 патентов в области аддитивной технологии, а вторая стремительными темпами приближалась к 1000 [17].

В этот же период происходит развитие новых методов печати. Расширяется материальная и технологическая база аддитивного производства. Всё больший интерес вызывает 3D-печать металлом и песком. Но и полимерные технологии не стоят на месте и продолжают развиваться.

Отдельно стоит отметить создание методов PolyJet и MJM (Multi Jet Modeling - многоструйное моделирование). Данные технологии весьма похожи и представляют собой сочетание фотополимеризации и цветной струйной 2D печати. Различия лишь в некоторых технологических особенностях, применяемых материалах и в компаниях, разработавших эти методы. Polyjet был создан компанией Objet Geometries, которая в 1999 году запатентовала устройство и способ печати трёхмерных моделей с использованием печатающей головки, имеющей множество сопел [18], а в 2011 году была куплена компанией Stratasys, которая в настоящее время активно производит принтеры данного типа. Альтернативная технология MJM принадлежит другому гиганту аддитивного производства

- компании 3D Systems.

Начало XXI века в 3D-печати можно охарактеризовать, с одной стороны, стремлением продемонстрировать весь потенциал, а с другой - затронуть области производства, которые, казалось бы, далеки от аддитивных технологий. Параллельно с этим происходит упрощение технологий и 3D-принтеры из дорогостоящих и громоздких становятся более доступными и компактными.

Одним из новых направлений становится медицина. В первое десятилетие текущего века усилиями компании Stratasys разрабатывается биосовместимый полимер, доступный для печати методом FDM. Изготавливают на его основе первый протез. Происходит зарождение 3D-биопринтинг. Печатают первые прототипь^-почки. А в 2010 году происходит первая попытка напечатать кровеносный сосуд [2]. В настоящее время эта технология не стоит на месте, а активно развивается. Разрабатываются системы биопечати типа "орган-на-чипе" за которыми, по мнению многих учёных, будущее трансплантологии [19].

Именно в конце первого десятилетия XXI века начинается быстрый рост аддитивных технологий. Главной причиной этого, согласно отчету Королевской инженерной академии наук Великобритании за 2013 год, стало истечение в 2009 году срока действия патента на метод FDM. При этом, большой вклад внёс Адриан Боер, разработавший концепцию RepRap (Replicating Rapid Prototyper

- самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов) в 2005 году. Идея этого подхода

состоит в том, что 3D-принтер в основном состоит из пластиковых деталей, которые могут быть напечатаны на нём же. Что даёт возможность самовоспроизводиться и делает 3D-печать доступной [20]. Так как в момент старта проекта патент на технологию FDM ещё не истёк, в его основании лежит альтернативный способ печати FFF (Fused Filament Fabrication - производство наплавлением нитей). Однако, данная технология отличается от своей предшественницы, по большому счёту, лишь отсутствием нагревательной камеры. Вероятно, совокупность именно этих двух факторов привела к росту интереса общественности к 3D-печати и её распространению. Стоит отметить, что в настоящее время нет строгой дифференциации между данными технологиями и, в большинстве случаев, принтеры, работающие по данному принципу, относят к технологии FDM вне зависимости от наличия нагревательной камеры.

В последние годы продолжается рост интереса к полимерным аддитивным технологиям. Происходит разработка новых методов 3D-печати и модификация уже существующих. Так, компания Carbon, основанная в 2013 г. подала заявление на патент в 2014 году нового метода фотополимерной печати CLIP (Continuous Liquid Interface Production - непрерывное производство жидкостного интерфейса). Данный метод схож со стереолитографией, однако, имеет ряд преимуществ за счёт использования кислорода. Это приводит к значительному повышению скорости и отсутствию эффекта расслоения [21]. Отдельно стоит отметить такие современные направления развития аддитивных технологий, как 4D, 5D и 6D печать.

4D печать относится к направлению развития материалов, используемых в полимерных аддитивных технологиях. По своей сути это система, обладающая способностью создавать динамические структуры с регулируемыми формами, свойствами или функциональностью. Помимо трёх измерений, в которых осуществляется печать изделия, данная технология имеет четвёртое - время. Эту концепцию разработал Скайлар Тиббитс из Массачусетского технологического института (MIT) в 2013 году [22]. Он определил следующие необходимые элементы для эффективной работы 4D печати:

1. Установка 3D печати

2. Воздействующий фактор (то, что может в значительной мере изменить свойства готового материала)

3. Материалы, восприимчивые к воздействию данного фактора («умные материалы»)

4. Механизм взаимодействия

5. Математическое моделирование

Несмотря на то, что 4D печать является молодым направлением, к ней уже проявляют интерес многие отрасли промышленности, видя в ней большие возможности. Предполагается использование 4D печати в грядущих поколениях медицинских устройств. Помимо этого, существуют исследования по созданию на базе данной технологии особых капсул для точечной доставки лекарственных средств. Следует отдельно отметить потенциальную возможность создания при помощи 4D печати и особого умного материала сердца, почек и печени. При этом клапан из такого материала способен будет контролировать скорость кровотока, изменяя свой диаметр.

Как можно заметить, отдельное внимание в системе 4D-печати уделяется умным материалам. Создание новых полимерных систем, восприимчивых к воздействию определённых факторов, как никогда актуальна. Множество исследователей сходится во мнении, что именно за такими материалами будущее в самых разнообразных и сложных отраслях. Отдельно стоит отметить разработки материалов для 4D-печати, которые могут быть использованы в медицине, в том числе для печати органов и их отдельных частей [23].

Технология 5D представляет собой модернизацию стандартной 3D-печати за счёт дополнительных осей построения деталей, получаемых путём наклонения столи-

ка вдоль осей x и у. На первый взгляд незначительная модернизация приводит к серьёзным результатам. Печать деталей по данной технологии позволяет не только снизить расходы на поддерживающие конструкции, но также и в значительной мере увеличить прочность готового изделия (по некоторым данным вплоть до 400%) [24]. Однако, больший интерес вызывает технология 6D, являющаяся сочетанием 5D и 4D. Она объединяет в себе преимущества рассмотренных методов и частично устраняет их недостатки. Предполагается, что рассматриваемая технология позволит не только повысить эффективность и снизить стоимость аддитивного производства, но и создавать уникальные детали, чувствительные к определённым воздействующим факторам и обладающие необходимыми физико-механическими характеристиками, недостижимые методами 4D и 5D печати [25].

Именно применение аддитивных технологий позволяет в полной мере реализовать основные принципы создания материалов нового поколения, заложенные в «Стратегических направлениях развития материалов и технологий на период до 2030 года», которые основаны на результатах фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований, полученных ведущими научно-исследовательскими организациями совместно с институтами РАН [7].

Методы трёхмерной полимерной печати

Аддитивные технологии являются перспективным направлением развития полимерной промышленности. Рассмотрим отличительные особенности основных методов полимерной 3D-печати.

SLA. Исторически первый метод 3D-печати. Создание объекта происходит путём селективного отверждения полимерной смолы, слой за слоем, с использованием ультрафиолетового лазерного луча [7].

В настоящее время существуют различные модели SLA-принтеров, отличающиеся размером, производительностью, точностью и ориентацией. Однако, они имеют общий принцип действия и сходное устройство. Послойное создание детали происходит на подвижной платформе в объёме жидкой фотоотверждаемой системы. В случае ориентации сверху вниз полимеризация протекает в тонком приповерхностном слое материала у границы раздела воздух - жидкость. При ориентации снизу вверх полимеризация происходит в слоях, непосредственно прилегающих к прозрачному дну рабочей ванны [26].

Одним из главных элементов в конструкции принтера является лазер. С одной стороны, его использование позволяет получать высокоточные объекты, обладающие гладкой поверхностью, но, с другой, в значительной степени увеличивает стоимость оборудования. По этой причине данный метод не получил большого распространения и применяется, в основном, только в крупных компаниях и исследовательских центрах [27].

Существует большое количество фотополимеров, используемых в технологии SLA. Такая материальная база позволяет производить детали с широким диапазоном механических и физических свойств [2].

Главным недостатком данного метода является высокая стоимость оборудования, обусловленная, в первую очередь, использованием лазера. Однако, это даёт ряд преимуществ готовым изделиям: высокую точность и превосходное качество поверхности.

DLP. В качестве решения проблемы высокой стоимости оборудования и с целью увеличения скорости был разработан альтернативный вариант фотополимерной аддитивной технологии. Название метода печати DLP (Digital Lighting Processing - цифровая обработка света) связано с одноимённой технологией, разработанной в 1987 году Лэрри Хорнбеком, которая представляет собой мультизеркальное устройство. Именно эта технология заменяет лазер, используемый в SLA.

Применение DLP-проектора позволяет снизить

стоимость оборудования. При этом, в отличие от SLA, происходит одновременная засветка выбранных участков слоя фотополимерного материала. Это приводит к увеличению скорости печати. Однако, есть и минусы данной технологии. К ним относится незначительная шероховатость поверхности и меньшая точность. В остальном обе технологии крайне похожи и могут быть рассмотрены как равные [26]. Схожа и материальная база, за исключением некоторых марок фотополимеризационных систем, предназначенных исключительно для SLA-принтеров и не способных к полимеризации посредством УФ-света от DLP-проектора [28].

LCD. Дальнейшее упрощение фотополимерной печати, которое привело к её доступности и распространению, связано с технологией LCD (liquid crystal display -жидкокристаллический дисплей). Сам метод крайне схож c SLA и DLP печатью с ориентацией снизу вверх. Отличие в том, что источник УФ-излучения равномерно засвечивает жидкокристаллический дисплей, пиксели которого пропускают свет в соответствии с поперечным сечением модели и затемняются для его блокировки. Большим плюсом является значительное снижение цены оборудования. Однако, есть и ряд минусов. Во-первых, низкое, по сравнению с SLA, разрешение печати, обусловленное размером пикселя в жидкокристаллической матрице. Во-вторых, необходимость периодической её замены, так как постоянное воздействие УФ-излучения на LCD-систе-мы ведёт к их необратимой деградации. При этом, стоит заметить, что перечень материалов, предназначенных для LCD-печати, практически идентичен методу DLP. Есть статьи, подтверждающие возможность использования этого принтера в том числе и для 4D-печати полимеров с памятью форм [29].

Все методы фотополимерной печати, представленные выше (SLA, DLP, LCD), имеют ряд общих недостатков. К ним относится необходимость постобработки (удаление поддерживающих конструкций, очистка от остатков жидкой фотоотверждаемой композиции и доотверждение готового изделия), сравнительно высокая стоимость материалов и невозможность печати одного изделия двумя и более разными системами. Отдельно стоит выделить внутренние напряжения в готовых изделиях, возникающие из-за послойного их создания и приводящие к снижению прочностных характеристик.

При этом, главным их преимуществом, помимо высокой точности готовых изделий, является большая база доступных фотополимеризующихся композиций с широким набором свойств, которая постоянно пополняется.

Стоит отметить, что несмотря на значительные отличия в характеристиках композиций как в жидком виде, так и после отверждения, в подавляющем большинстве случаев основой таких систем является сочетание мономера и олигомера с (мет)акриловыми группами.

PolyJet и MJM. Технологии PolyJet и MJM имеют аналогичный принцип работы. Они оснащены печатающей головкой, имеющей большое количество сопел, через которые подаётся жидкая фотоотверждаемая система. Возможна подача не одного материала, а сразу нескольких, как это происходит в струйных цветных 2D принтерах. В непосредственной близости с печатающей головкой расположен источник ультрафиолетового излучения, посредством которого происходит отверждение распылённого материала. Данные методы печати позволяют использовать несколько фотополимеров, что даёт возможность создания изделий с уникальным набором свойств. Отдельно стоит отметить возможность использования материала для поддержек, растворимого в каких-либо средах или даже в воде, что, в значительной мере, приводит к улучшению свойств поверхности готового изделия [26].

Эти методы позволяют создавать с высокой точностью уникальные изделия, состоящие из нескольких материалов, обладающих различным набором свойств.

При этом, главным минусом является высокая стоимость оборудования. Если сравнивать методы PolyJet и MJM, то, помимо некоторых патентных ограничений, можно выделить, во-первых, большую скорость PolyJet, во-вторых, возможность использования не только фотоотверждае-мых смол, но и специального воска в MJM [4].

CLIP является новым шагом в фотополимерной 3D печати. Во многом данная технология идентична DLP. Проектор находится снизу и инициирует полимеризацию фоточувствительной смолы в рабочей ванной с прозрачным дном, как это и происходит в случае DLP печати с ориентацией снизу вверх. Однако, есть одно важное нововведение, позволяющее в значительной мере сократить время печати. Оно заключается в способности прозрачного дна пропускать кислород [21]. Таким образом, УФ-свет запускает полимеризацию, а кислород её останавливает. Скорость второго процесса на 2 порядка выше скорости первого. Точное управление взаимодействием света и кислорода позволяет технологии CLIP непрерывно вытягивать объекты из ванны с фотополимерным материалом. Это возможно благодаря образованию над прозрачным дном мёртвой зоны в несколько десятков микрон. В результате, в отличие от традиционного метода DLP-печати, требующего стадии отрыва сшитого слоя полимера от прозрачного дна, сопровождающей каждый слой печати, использование технологии CLIP позволяет осуществлять непрерывное экспонирование объекта при одновременном его подъеме [30]. Одним из главных минусов является высокая стоимость оборудования. Материалом для печати, как и в предыдущих методах, является фотоотверждаемая система на основе акрилатов. Однако, она имеет ряд особенностей, обусловленных необходимостью соблюдения соотношения скорости фотополимеризации и ингибирования кислородом.

FDM и FFF. Моделирование методом послойного наплавления (FDM) в сочетании с производством наплав-лением нитей (FFF) является самой распространённой аддитивной технологий. Главная причина этого технологическая простота процесса.

Ключевым элементом принтеров данного типа является экструдер, в который, в зависимости от устройства принтера, подаётся материал в виде нити, гранул либо порошка. В процессе печати экструдер, способный передвигаться в 3 осях, нагревается, материал плавится, выдавливается в виде тонкой нити и наплавляется послойно в определённых местах, где затем охлаждается и затвердевает [26]. Существуют принтеры, имеющие 2 и более экструдера для одновременной печати несколькими материалами. Как правило, в таком случае один из экструдеров печатает поддерживающие конструкции материалом, растворимом в какой-либо жидкости, например в воде или спирте.

Основное отличие FFF от FDM принтера заключается в отсутствии нагревательной камеры, что существенно снижает их стоимость. Однако, это приводит к образованию в материале остаточных напряжений. Поэтому FDM получил большое распространение в промышленности, а FFF ориентирован на любителей.

Одним из плюсов данных технологий является широкий ассортимент доступных материалов, который варьируется от обычных термопластичных полимеров до инженерных и высокопрочных пластиков. Основными из них являются полилактид, полиэтилен, полипропилен, акрилонитрилбутадиенстирол, поливиниловый спирт, поликарбонат, полиамид, поликапролактон, полиэтиленте-рефталат. Значительным преимуществом является сравнительная доступность технологии и возможность печати прототипов больших размеров.

К минусам же можно отнести меньшую точность принтеров при печати, обусловленную габаритными размерами сопла экструзионной головки.

LOM. Изготовление слоистых моделей методом ламинирования (LOM) основано на послойном склеива-

нии элементов, вырезанных из листового материала при помощи лазера либо механическим путём [4]. Процесс печати начинается с нанесения клея на лист в местах крепления, соответствующих поперечному сечению модели, и антиадгезива на остальные участки. После этого подаётся следующий лист, который прижимается к предыдущему с помощью разогретого валика, что приводит к ламинации слоёв. Финальным этапом является обрезание листа по контуру, после чего цикл повторяется [13].

К плюсам данной технологии можно отнести сравнительную дешевизну листовых материалов, используемых в этом процессе. Однако, данный вид печати имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение. Во-первых, изделия, полученные таким путём, имеют низкую прочность вдоль слоя, что может привести к расслоению. Во-вторых, необходима дополнительная обработка поверхности ввиду её высокой шероховатости и «ступенчатости». В-третьих, данная технология не позволяет создать изделия сложной геометрической формы [26].

В качестве основного расходного листового материала для данного метода чаще всего применяться бумага, металлическая фольга или полимерная плёнка (в основном полихлорвиниловая).

3DP и ОР. Технология 3DP заключается в послойном построении изделия путём впрыскивания связующего вещества в порошковый материал. Процесс печати начинается с формирования тонкого ровного слоя мелкодисперсного вещества. После чего через сопло печатающей головки на этот материал подаётся связующее в соответствии с поперечным сечением модели. Затем платформа с материалом опускается на толщину слоя, заполняется порошковым материалом и цикл повторяется [15].

Изначально в качестве порошкового материала применялся гипс, а в качестве связующего вода. В настоящее время данная технология сильно развилась и перечень возможных веществ значительно увеличился. К ним относятся полимеры, металлы, песок.

Логическим продолжением данной технологии стала цветная струйная печать (ОР). Отличие от 3DP заключается в использовании нескольких окрашенных связующих.

Данные технологии имеют ряд важных преимуществ. Во-первых, порошковый материал, не использованный в построении изделия, после завершения печати может применяться повторно. Во-вторых, в процессе формирования слоёв изделия не происходит подача тепла, что исключает возможность возникновения внутренних остаточных напряжений. В-третьих, при печати данным методом нет необходимости в создании дополнительных опорных конструкций, удаляемых в процессе постобработки. Это связано с тем, что каждый предыдущий слой материала является естественной опорой следующим слоям [31].

К недостаткам относится сравнительно высокая стоимость оборудования и ограничения по созданию полых объектов.

SLS и SHS. Селективное лазерное спекание (SLS) основана на последовательном спекании слоёв мелкодисперсного материала с помощью лазеров высокой мощности.

Принцип работы подобен технологии 3DP за исключением основного воздействия, формирующего изделие. В технологии SLS образование каждого элементарного слоя происходит за счёт воздействия лазерного излучения. После создания такого слоя, соответствующего сечению модели, происходит опускание платформы на толщину слоя, добавление и разравнивание порошкового материала [26].

В данной технологии помимо полимеров в качестве расходного материала могут выступать металлы, сплавы, композиты и песчаные смеси.

Главным преимуществом данного метода является

то, что при создании изделий со сложной геометрии не требуется построения дополнительных поддерживающих структур, так как нижние слои материала являются естественной опорой для верхних. Главным минусом является высокая стоимость оборудования.

Технология SHS (Selective Heating Sintering - выборочное тепловое спекание) является одним из молодых методов 3D-печати. Она заключается в плавке слоев порошкового материала посредством теплового излучения. В данном методе вместо лазера используется ИК-излуче-ние, которое проходит через специальную маску, направляющую тепло в необходимые точки слоя. Из-за того, что теплового излучения недостаточно для спекания большинства металлических порошков, выбор материала ограничен легкоплавкими металлами и термопластичными полимерами. Перечень последних схож с пластиками, используемыми в fDm.

Представленные выше методы не являются единственными, используемыми в полимерной 3D-печати. Большой интерес к аддитивному производству ведёт к созданию всё новых и новых технологий в той или иной степени отличающихся от описанных. А патентные ограничения и желание компаний заявить о своей технологии, как о новом ни на что не похожем продукте, приводит к возникновению множества названий у практически идентичных методов 3D-печати. При этом, представленный набор способов производства полимерных изделий является базисом, позволяющим понять суть и принцип работы современных аддитивных технологий. Отдельно стоит отметить способы 3D-печати, использующие в качестве материала металлы и сплавы. Данные способы, хоть не были представлены в данной статье, имеют большую практическую значимость для современной промышленности.

Проблема классификации аддитивных

технологий

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В настоящее время не существует устоявшейся классификации как аддитивных технологий в целом, так и полимерной 3D-печати в частности, несмотря на неоднократные попытки.

Главная причина этого заключается в сложности выбора основания для каждого этапа последовательного деления понятия. Так, первичная дифференциация по видообразующему признаку может происходить по форме используемого материала, по способу формирования единичного слоя, а дихотомическое деление - по наличию той или иной технической особенности (например, лазера или печатающей головки) [2]. Однако, ни один из этих вариантов не может в полной мере претендовать на роль основания для первого этапа естественной классификации. В одних случаях это приводит к неполному делению. В других - члены деления не исключают друг друга (имеют общие элементы). Особняком стоит дихотомическое (двучленное) деление, которое, по причинам большого разнообразия и быстрой скорости развития аддитивной промышленности, связанного, в том числе, с постоянным переплетением технологий, не может рассматриваться в качестве основного метода естественной классификации из-за несущественности признака.

Одна из первых важных работ, призванная решить эту проблему, принадлежит американскому обществу по материалам и их испытаниям ASTM [32]. Именно оно в 2012 году создало стандарт ASTM F2792 - 12A. Помимо деления аддитивных технологий, в нём представлена их номенклатура, что было необходимым шагом для осмысленного развития. Согласно данному стандарту, выделяют 7 видов аддитивных технологий [33]:

Material Extrusion - «экструзия/выдавливание материала» (материал выборочно подается через сопло или жиклер);

Material Jetting - «разбрызгивание материала» (послойное струйное нанесение основного вещества);

Binder Jetting - «разбрызгивание связующего» (порошковые материалы соединяются выборочным нанесением жидкого связующего);

Sheet Lamination - «листовое наплавление/лами-нирование» (изготовление детали осуществляется послойным соединением листовых материалов);

Vat Photopolymerization - «фотополимеризация в ванне» (жидкий фотополимер выборочно отверждается (полимеризуется) в ванне световым излучением);

Powder Bed Fusion - «сплавление в слое порошкового материала» (энергия от внешнего источника используется для избирательного спекания/сплавления предварительно нанесенного слоя порошкового материала);

Directed energy deposition - «прямой подвод энергии в место построения» (энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения).

Основанием данного деления являются «технические особенности зD-печати». Что, хоть на первый взгляд и кажется решением проблемы классификации, таковым в полной мере не является. Причина в том, что под данной формулировкой в неявном виде скрыта множественность оснований деления (по способу подвода тепла, по методу фиксации слоя и по форме используемого материала).

Этот документ (ASTM F2792 - 12A), положивший начало стандартизации и унификации в области 3D-печа-ти, вскоре был пересмотрен. Стремительное развитие аддитивных технологий потребовало создание на его базе нового стандарта, позволяющего объединить мировой опыт [32]. В 2015 году ASTM совместно с Международной организацией по стандартизации (ISO) разработали международный стандарт ISO/ASTM 52900:2015, который стал основой для российского ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения». В результате была заложена основа мирового сотрудничества. Даны чёткие и однозначные определения множеству понятий в области аддитивных технологий. Но значительного пересмотра классификации не произошло.

Помимо общей классификации аддитивных технологий, существует и локальные, присущие какой-то отдельной области, попытки последовательного деления понятий. К таким относится классификация методов полимерной 3D-печати, фигурирующая в отечественной литературе в данном формате (Рисунок 2) [7]:

/ | Фотополимеризация

| Экструзионные методы

/ \

Техника / ЗО-печати \

\

| Порошковые методы

Стереолитография

Многоструйное моделирование

Непрерывное изготовление в жидком интерфейсе

Многофотонная полимеризация

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное плавление

Струйная технология ЗО-печати

Производство ламинированных _изделий_

Рис. 2. Классификация методов полимерной SD-печати

При этом, данный способ классификации имеет тот же недостаток, что и указанный ранее - множественность оснований. Фотополимеризация представляет собой способ формирования элементарного слоя, экструзия - технические особенности переработки полимера, порошковые методы основаны на форме используемого материала, а ламинирование и вовсе отдельный, пусть и весьма специфичный, метод 3D-печати. Так, существует разновидность FDM, в которой используется полимерный порошковый материал. Согласно данной классификации,

этот метод должен одновременно находиться в экстру-зионных и порошковых, что в явном виде демонстрирует несостоятельность денного подхода к делению полимерной 3D^4a™.

Возможно, быстрая скорость роста аддитивных технологий и их постоянное распространение на новые области промышленности (например, возникновение пищевых 3D-принтеров в кулинарии) не позволяют установить чёткую неизменную естественную классификацию, отвечающую правилам деления понятий. Помимо этого, важным фактором, осложняющим процесс выбора основания деления, является сложное переплетённое устройство аддитивных технологий (единообразные технические решение употребляются в самых разнообразных сочетаниях). Классификация полимерной 3D-печати имеет такую же проблему с выбором некого универсального основания, а поиски путей решения пока что не дают значительных результатов.

Заключение

Полимерная 3D-печать, которая возникла в 1980-х годах, заложила основу аддитивных технологий. Их появление стало возможным, по большей части, благодаря созданию и развитию микропроцессоров. А важными этапами, в значительной степени ускорившими их рост, стали зарождение концепции RepRap и окончание патента на технологию FDM.

В настоящее время аддитивные технологии шагнули далеко вперёд. Аддитивные технологии сегодня применяются для постройки домов и мостов, создания деталей самолётов и ракет, для производства протезов и форм для литья под давлением. Наиболее революционными концепциями в этой области являются 4D, 5D и их сочетание 6D-печать, а, вероятно, самым значимым направлением - биопринтинг. С их общим развитием 3D^-чать органов постепенно становится обыденной реальностью, а не невероятной фантастикой.

Существует большое количество методов как аддитивных технологий в целом, так и полимерной 3D^-чати в частности. Основные из них были разработаны ещё в 1980-е годы, а их постепенное развитие шло по одному из 3 путей: усложнение (для достижение большей точности и увеличение числа возможных материалов), упрощение (снижение стоимости) и синтез новых методов зD-печати (как путём смешения технологий внутри аддитивной промышленности, так и вне её пределов).

Быстрые темпы роста аддитивной промышленности, продолжающиеся и сейчас, привели к осознанию необходимости стандартизации этой области знания. Однако, особенности развитию аддитивных технологий привели к значительным трудностям в их классификации, которые наблюдаются и на локальном уровне - при классификации методов полимерной 3D-печати. Это усложняется ещё и тем, что данный вид технологий захватывает всё новые и новые области жизнедеятельности человека. Зачастую, это сопровождается созданием неких уникальных и специфичных методов аддитивного производства. Таким образом, проблема классификации как аддитивных технологий в целом, так и полимерной 3D-печати в частности, является сложной и актуальной проблемой.

В рамках данной работы произведена попытка первичной систематизации данных о полимерной трёхмерной печати путём описания основных её методов, их общих черт, отличительных особенностей, сильных и слабых сторон. Анализ собранной информации позволяет сделать вывод о недостаточном уровне стандартизации не только на понятийном, но и на прикладном уровне. Так, изделия из одного и того же материала могут иметь сильно отличающиеся значения физико-механических характеристик в зависимости не только от используемого метода, но и от ряда характеристик (ориентация изделия при печати, наличие и особенности «поддержек», условия постобработки), которые не регламентируются име-

ющимися стандартами.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (госзадание 0785.00.Х6019).

Литература

1. Sandler Т., Preis M. Printed Drug-Delivery Systems for Improved PatientTreatment // Trends in Pharmacological Sciences. 2016. Vol. 37(12). Pp. 1070-1080. DOI 10.1016/j. tips.2016.10.002

2. Беседина К.С., Лавров Н.А., Барсков В.В. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов (обзор) // Известия СПбГТИ(ТУ). 2018. № 44(70). С. 56-63. DOI 10.15217/ issn1998984-9.2018.44.56

3. Дзюрдзя О.А., Артамонова А.Б. Аддитивные технологии в производстве литейных форм // "Цифра" - Реальность, меняющая мир: готовность российской экономии к новым правилам игры: матер. национальной научно-практ. конф. М., 23 апреля 2019 г. М: "Центр", 2019. С. 55-57.

4. Кравченко Е.Г., Верещагина А.С., Верещагин В.Ю. Аддитивные технологии в машиностроении : учебное пособие Саратов: Профобразование, 2021. 139 c.

5. Малаев И.А., Пивовар М.Л. Аддитивные технологии: применение в медицине и фармации // Вестник фармации. 2019. № 2(84). С. 98-107

6. Кулик В.И., Нилов А.С. Аддитивные технологии в производстве изделий авиационной и ракетно-космической техники. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2018. 160 с.

7. Ляпков А.А., Троян А.А. Полимерные аддитивные технологии. СПб.: Лань, 2022. 120 с.

8. Pat. 473901 US; Banter J. Manufacture of contour relief-maps: заявл. 03.05.1892; опубл. 03.05.1892. 3 p.

9. Pat. 2775758 US № 228180; Munz O. Photo-glyph recording: заявл. 25.05.1951; опубл. 25.12.1956. 7 p.

10. Pat. 4041476 US № 05/165042; Swainson W.K. Method, medium and apparatus for producing three-dimensional figure product: заявл. 23.07.1971; опубл. 09.08.1977. 18 p.

11. Pat. 4575330 US № 06/638905; Hull C.W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography: заявл. 08.08.1984; опубл. 11.03.1986. 16 p.

12. Pat. 5597589 US № 08/251609; Deckard C.R. Apparatus for producing parts by selective sintering: заявл. 17.10.1986; опубл. 28.01.1997. 14 p.

13. Pat. 4752352 US № 07/040361; Feygin M. Apparatus and method for forming an integral object from laminations: заявл. 17.04.1987; опубл. 21.06.1988. 21 p.

14. Pat. 5121329 US № 07/429012; Crump S.S. Apparatus and method for creating three-dimensional objects: заявл. 30.10.1989; опубл. 09.06.1992. 15 p.

15. Pat. 5204055 US № 07/447677; Sachs E., Haggerty J., Cima M., Williams. P. Three-dimensional printing techniques: заявл. 08.12.1989; опубл. 20.04.1993. 14 p.

16. Таршхоева Ж.Т. Архитектура и история развития микропроцессоров // Студенческий. 2021. № 28(156). С. 30-32

17. Токарев Б.Е., Токарев Р.Б. Анализ технологий рынка 3D печати: два года спустя // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». 2016. Том 8, № 1. URL: http:// naukovedenie.ru/PDF/28EVN116.pdf (дата обращения: 20.06.2022)

18. Pat. 6259962 US № 09/259323; Gothait H. Apparatus and method for three dimensional model printing: заявл. 03.05.1999; опубл. 10.07.2001. 16 p.

19. Афоничева П.К., Буляница А.Л., Евстрапов А.А. «Орган-на-чипе» - материалы и методы изготовления (обзор) // Научное приборостроение. 2019. Т. 29. № 4.

С. 3-18.

20. RepRap/ru URL: https://reprap.org/wiki/RepRap/ru (дата обращения: 15.06.2022)

21. Pat. 9360757 US № 14/456,270; DeSimone J., Ermoshkin A., Ermoshkin N., Samulski E. Continuous liquid interphase printing: заявл. 14.08.2014; опубл. 07.06.2016. 33 p.

22. Raghavendra K., Manjaijh M., Balashanmungam N. 4D Printing // Polymers. 2018. № 10. Pp. 93-107. DOI 10.1007/978-3-030-18854-2_4

23. Ульянкин А.И., Демина П.Н. Анализ современных тенденций в биопринтинге и перспективы развития технологии: сб. избранных статей научной сессии ТУСУР. 2020. № 1-2. С. 277-280

24. Чабаненко А.В., Казадио Д.Ф. Цифровизация и индустрия 4.0 в рамках развития аддитивного производства // XXV Междунар. науч. конф. Волновая электроника и информационные системы. СПб.; 30 мая-03 июня 2022 г. СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения. 2022. С. 205-208

25. Georgantzinos S., Giannopoulos G., Bakalis P. Additive Manufacturing for Effective Smart Structures:The Idea of 6D Printing// Journal of Composites Science. 2021. №5,119. Pp. 1-11. DOI 10.3390/jcs5050119

26. Преображенская Е.В., Боровик Т.Н., Баранова Н.С. Технологии, материалы и оборудование аддитивных производств. Часть 1. М.: РТУ МИРЭА, 2021. 173 с.

27. Панков Д.Э., Соломонов И.А., Терин А.М., Тутушкин А.К. Лазерная стереолитография (SLA): технология 3D-печати // Молодой ученый. 2020. № 48(338). С. 48-49

28. Deng W., Xie D., Liu F., Zhao J., Shen L., Tian Z. DLP-Based 3D Printing for Automated Precision Manufacturing // Mobile Information System. 2022. № 3. Pp. 1-14. DOI 10.1155/2022/2272699

29. Shan W., Chen Y., Hu M., Qin S., Liu P. 4D printing of shape memory polymer via liquid crystal display (LCD) stereolithographic 3D printing // Materials Research Express. 2020. № 7(10). Pp. 1-8. DOI 10.1088/2053-1591/ abbd05

30. Максимов Н.М. CLIP - Выращивание деталей в объеме // РИТМ машиностроения. 2015. № 8. С. 26-31

31. Haleem A., Javaid M. Enablers, Barriers, and Critical Success Factors for Effective Adoption of Color-Jet 3D Printing Technology // Journal of Industrial Integration and Management. 2019. Vol. 4, № 4. Pp. 1-27 DOI 10.1142/ S242486221950009X

32. Дресвянников В.А., Страхов Е.П. Классификация аддитивных технологий и анализ направлений их экономического использования // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2018. № 2(26). С. 16-28

33. ASTM F2792-12a (American Society for Testing and Materials). Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. 2012. 3 p.

34. ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения (Переиздание). М.: Стандартинформ, 2020. 16 с.

References

1. Sandler Т., Preis M. Printed Drug-Delivery Systems for Improved PatientTreatment // Trends in Pharmacological Sciences. 2016. Vol. 37(12). Pp. 1070-1080. DOI 10.1016/j. tips.2016.10.002

2. Besedina K.S., Lavrov N.A., Barskov V.V. Primenenie additivnykh tekhnologii pri poluchenii izdelii iz polimernykh materialov (obzor) // Izvestiia SPbGTI(TU). 2018. № 44(70). Pp. 56-63. DOI 10.15217/issn1998984-9.2018.44.56

3. Dzyurdzya O.A., Artamonova A.B. Additivnyye tekhnologii v proizvodstve liteynykh form // "Tsifra" -

Real'nost', menyayushchaya mir: gotovnost' rossiyskoy ekonomii k novym pravilam igry. Mater. Natsional'noy nauchno-prakt. Konf. M., 23.04.2019 M.: "Tsentr", 2019. Pp. 55-57.

4. Kravchenko E.G., Vereshchagina A.S., Vereshchagin V.Yu. Additivnyye tekhnologii v mashinostroyenii: ucheb. posobiye. Saratov: Proftekhodrasovanie, 2021. 139 s.

5. Malayev I.A., Pivovar M.L. Additivnyye tekhnologii: primeneniye v meditsine i farmatsii // Vestnik farmatsii. 2019. № 2(84). Pp. 98-107

6. Kulik V.I., Nilov A.S. Additivnyye tekhnologii v proizvodstve izdeliy aviatsionnoy i raketno-kosmicheskoy tekhniki. Saint-Petersburg: Balt. gos. tekhn. un-t, 2018. 160 p.

7. Lyapkov A.A., Troyan A.A. Polimernyye additivnyye tekhnologii. Saint-Petersburg: Lan', 2022. 120 p.