Rapid Liquid Printing — технология быстрой 3D-печати

Картинка: youtube-канал «bob and shumin»

В последние годы 3D-печать очень активно развивается, и несколько лет назад появилась интересная технология, которая в данный момент проходит процесс патентования (или уже запатентована, надо уточнять).

Но мы-то знаем, что это нужно ещё разбираться, что конкретно патентуется, в каких конкретно странах, — а это всё открывает возможности и для других разработчиков* 😉

Технология позволяет печатать трёхмерные объекты с большой скоростью, и является, на мой взгляд, достаточно привлекательной, чтобы присмотреться к ней, с точки зрения того, чтобы попробовать реализовать подобный подход в своей собственной практике.

* Но сначала — небольшая ремарка касательно патентования:

Вспомним классический пример, когда изобретатель швейной машинки Зингер не стал патентовать каждый элемент конструкции швейной машинки, так как это долго и дорого, а запатентовал всего лишь иголку с отверстием в кончике.

Если требуется патентная защита, то придётся это делать (оформлять патент), в каждой стране, где планируется осуществлять работу; скажем, нельзя запатентовать только в США, и это автоматом даст защиту в России; такой патент даст всего лишь возможность запретить патентовать подобное в России (или любой другой стране, так как будет отсутствовать новизна — «уже кто-то такое делал»), но не запретит производить и продавать подобное.

Почему в каждой стране: общество каждой страны заинтересовано в продвижении технического прогресса, и патент является компромиссным соглашением между изобретателем и обществом, что ты платишь обществу (при оформлении патента и поддержании его в силе), а общество даёт тебе фору во времени (до 20 лет максимум), чтобы ты мог извлекать монопольную прибыль из своего изобретения.

В благодарность за это ты обязуешься по истечении периода защиты передать изобретение в общественное пользование, чтобы каждый мог производить подобное.

Таким образом, обществом, с одной стороны, стимулируется инновационная деятельность, а с другой — сохраняются темпы технического прогресса.

По истечении периода защиты, изобретатели, как правило, патентуют ещё более новое, более прорывное изобретение (так как за 20 лет разобрались достаточно в этом вопросе и появились новые идеи) — и так до бесконечности.

Как альтернатива патентованию — используется так называемое «ноу-хау» — то есть вообще не патентовать, а просто скрыть от всех суть изобретения и поддерживать в секретности. Пример такого поведения — состав оригинального напитка Coca-Cola.

Если кто-то соберётся разбираться в этом вопросе подробнее, то рекомендуется знакомиться с текущим положением дел, так как это та информация, которой я владею, и она может несколько отличаться от текущего положения дел.

Итак, что это за технология?

Около 10 лет назад учёными из Self-Assembly Lab, входящей в Massachusetts Institute of Technology (MIT) была разработана необычная технология 3D печати: печать трёхмерных объектов в жидкий гель, где гель выступает в качестве средства поддержки для трёхмерных структур, что позволяет решать проблему построения таких объектов, так как 3D печатники знают, что независимо от технологии печати, построение качественных трёхмерных объектов, как правило, требует так называемых «поддержек», — вспомогательных элементов, которые позволяют удерживать отдельные части конструкции, в процессе печати (так как антигравитацию ещё не изобрели и нельзя заставить их повиснуть в воздухе).

Использование геля позволяет элегантно решить эту проблему:

• он продолжает удерживать элементы конструкции продолжительное время, достаточное для отверждения печатных элементов,
• подобные распечатки не требуют пост-обработки, так как, с одной стороны, получаются гладкими из-за использования практически жидкой гелевой среды, а с другой стороны, так как это средство поддержки никак не прикреплено к распечатанным деталям — не нужно тратить время и усилия на отделение поддержек от деталей — достаточно всего лишь вынуть распечатку из геля и промыть её под проточной водой!

Как было уже сказано выше, заявляется, что эта технология печати предоставляет возможность осуществления с большой скоростью, превышающей по скорости иные типы печати (в 100 раз быстрее, как заявляют сами изобретатели).

Причиной этого является отсутствие узкого места: все иные технологии печати так или иначе завязаны на скорость отверждения текущего слоя (который в данный момент печатается).

То есть, следующий слой можно наносить только тогда, когда произошло отверждение текущего слоя.

В отличие от этого подхода, рассматриваемая технология позволяет с большой скоростью выдавливать материал печати, слой за слоем, абсолютно не дожидаясь его отверждения, так как этот материал со всех сторон поддерживает гель, выступая своего рода «литейной формой»!

Для печати в рамках такой технологии применяются силиконовые полимеры, а также могут использоваться вспененные формы полиуретана, полистирола, латекса.

При этом, силиконовая печать позволяет изготавливать гибкие «резиновые» изделия, а вспененные формы полимеров используются для печати различных амортизирующих систем, например, наполнителя для кресел сложной конфигурации.

При этом использование технологии не ограничено только перечисленными вариантами, так как позволяет изготавливать, например, взвешенные токопроводящие структуры, с применением токопроводящего композитного материала PEDOT:PSS:

Картинка: youtube-канал «bob and shumin»

В качестве силиконового полимера для этих целей применяется тип двухкомпонентного силиконового полимера, с отверждением при помощи платиносодержащего катализатора:

Картинка — согласно определению на siliconeab.com

В качестве поддерживающего геля в экспериментах использовался гель на основе желатина или агар-агара.

Полагаю, что для удешевления можно исследовать вопрос использования и других гелеобразных субстанций.

Например, если кто не знает, то в химии существуют специальные подходы, позволяющие превратить в гель многие вещества.

Таким образом, к слову, изготавливается напалм, который благодаря гелеобразной форме хорошо прилипает к объектам и долго горит.

А ниже показан более близкий нам пример: изготовление спиртового геля (где был этот способ во время ковида?! 🙂 ):

Полагаю, что при определённом желании, можно найти способ для изготовления геля в больших количествах и недорого.

Тем не менее, радует, что гель этот является, по сути, многоразовым и практически не тратится (за исключением того количества, которое уходит в смыв, во время промывки детали).

А теперь посмотрим на принципиальную схему установки для осуществления такой печати:

Картинка: youtube-канал «bob and shumin»

Более подробной схемы найти не удалось, однако даже глядя на эту, можно о многом догадаться. Итак…

Как можно видеть, печатная головка приводится в действие с помощью 6-осевой робо-руки (что не везде надо, так как на видео выше, а также в видео, которые будут ниже, можно заметить, что используется вполне себе стандартный XYZ-привод, аналогичный приводам обычных 3D принтеров.

Смесь явно находится в двух отдельных «шприцах», штоки которых могут вдавливаться и втягиваться, с применением пневмоцилиндра (он выступает силовой частью и непосредственно приводит в действие штоки «шприцев») и пневмораспределителя (обычно работает от 12 в и позволяет переключать воздушные потоки, получая команды от микроконтроллера — т. е. «давим/стоим на месте/втягиваем»). Кому интересна принципиальная схема таких подключений — я её достаточно подробно изобразил вот тут.

Получается такая, как бы, «гидравлика на минималках» — то есть пневматический привод, который, в отличие от гидравлики, более прост в своём устройстве и обслуживании.

Входящий в пневмоцилиндр воздух фильтруется, насыщается парами масла с помощью лубрикатора (для эффективного смазывания поршня пневмоцилиндра), а также из этого воздуха осаждаются пары воды с помощью осушителя, наполненного силикагелем и/или стеклянными шариками.

Откуда я настолько в курсе таких систем: собирал лично для себя такие системы в качестве самоделок, не по работе 🙂

Исходники брал тут (кстати, они тут существенно дешевле западных аналогов).

Силиконовая основа и катализатор смешиваются перед входом в сопло (т. е. выпускную иглу), и готовая смесь выдавливается из его кончика.

Как можно видеть в видеороликах, сопло обычно выполняется в виде аналога иглы медицинского шприца (а может быть и прямо взята такая игла?!), что позволяет выдавливать смесь тонкой струйкой и добиваться высокого разрешения отпечатков.

В самом начале этого рассказа было видео, где были показаны первые, ещё достаточно грубые шаги в этом направлении, когда эксперименты в этой области учёными только начинались.

В данный момент эти эксперименты привели к тому, что учёные создали свою компанию, а технология получила название Rapid Liquid Printing (RLP).

На данный момент технология серьёзно прогрессировала, по сравнению с первыми попытками в этой области, и сейчас печать с её использованием выглядит так (даю ссылкой, так как владелец запретил показ этого видео на других сайтах).

В качестве ещё одного примера печати можно назвать изготовленную учёными для французского модного бренда Copermi женскую сумочку, отпечатанную из силикона (оказывается, учёные тоже не сухари, а вполне себе подвержены «модным влияниям»):

Демонстрацию показа этой сумочки можно найти здесь.

Однако, если вернуться к серьёзным вещам, и обратиться к разделу Solutions, на официальном сайте новообразованной компании, то можно увидеть, что качество поверхности распечаток весьма велико, и всё это без пост-обработки.

Идея такой печати была подхвачена самодельщиками, и уже кое-кто пытается так же печатать, используя в качестве механического привода обычный 3D принтер:

Не остановились на достигнутом и учёные из Self-Assembly Lab, которые, будучи вдохновлёнными первым успехом с силиконовой технологией, решили применить аналогичный принцип и для печати металлом: алюминий плавится в небольшой печи, внутри тигля, размером примерно с буханку хлеба, после чего поступает через сопло в печатную ёмкость, наполненную песком, и так же выдавливается в трёхмерном пространстве:

Как выяснилось, такая печать вполне себе возможна, только вот пока качество получается достаточно низким.

Что, впрочем, никак не отражается на функциональности распечаток и позволяет их использовать (справедливости ради надо отметить, что они и пытались распечатывать достаточно грубые вещи, наподобие стульев).

В качестве идеи: им надо было попробовать подавать металлический пруток и плавить его, в самом кончике сопла, наподобие FDM-печати, только используя индукционный нагрев.

К слову, в FDM-печати уже кое-кто пытается это делать, заявив о «первом в мире индукционном хотенде»:

Подытоживая весь этот рассказ, можно сказать, что технология печати жидким силиконом достаточно простая и представляет достаточный интерес, так как обладает лёгкой повторяемостью и позволяет осуществлять быструю печать «резиновых» изделий, даже большого габарита, с хорошим качеством поверхности, не требующей пост-обработки.

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻