Перевернутий 3D-принтер 25.03.2015

Щоб винайти щось справді нове в технології, яка існує вже не один рік, нерідко треба подивитися на неї з протилежного боку. Швидше за все для цього навіть доведеться перевернути все з ніг на голову або вивернути навиворіт. Так двигуни внутрішнього згоряння витіснили двигуни зовнішнього згоряння, хоча інженери позаминулого століття пророкували майбутнє панування парових машин.

Нині парові двигуни залишилися хіба що у фантастичних повістях жанру "стімпанк". Щоправда, і бензинові двигуни вже можуть залишитися лише на сторінках історії, поступившись місцем електричним. Таких прикладів безліч, взяти тих же комп'ютерних мишей, які еволюціонували з кулькових з кабельним хвостом у лазерні та бездротові. Тепер подібне кардинальне перетворення може торкнутися технології 3D-друку, яка останнім часом стала масово доступною.

Є кілька різних технологій тривимірного друку, суть яких полягає у пошаровому створенні об'єкта потрібної форми. Один з методів, що широко використовуються - це лазерна стереолітографія. Як вона працює? Виріб створюється з рідкого фотополімеру - спеціальної речовини, яка твердне під дією ультрафіолетового лазера. Лазерний промінь оббігає контур деталі, засвічені ним ділянки стають твердими, а незасвічені залишаються рідкими. Виріб, що створюється, занурюється шар за шаром у ванну з рідкого полімеру. Коли процес закінчився, готову деталь дістають з ванни, видаляють полімер, що не прореагував, і проводять заключну обробку. Технологія чудово відпрацьована та застосовується по всьому світу. Але вона має один недолік - швидкість, яка не перевищує кількох міліметрів на годину. Адже завжди хочеться отримати готовий результат якнайшвидше, а не чекати півдня чи довше, коли ж він там нарешті надрукується.

Що так гальмує 3D-друк? Виявилося, що найповільніша стадія у всьому процесі - це затвердіння полімеру. І справа тут не в лазері або полімері, а в кисні повітря. Молекули цього газу розчиняються у верхньому шарі рідкого полімеру та гальмують його затвердіння. Лазерне випромінювання створює активні молекули, які починають зв'язувати молекули полімерного матеріалу один з одним так, що він стає твердим. Кисень активно заважає цьому процесу, внаслідок чого полімер твердне набагато довше, ніж міг би.

Звичайно, можна помістити 3D-принтер у герметичну камеру, в якій замість кисню буде, скажімо, азот, але це на корені загубить одну з головних переваг тривимірного друку - простоту використання. Однак хіміки разом з інженерами вигадали спосіб, як спрямувати "шкідливу" діяльність молекул кисню в корисне для технології русло, і змогли збільшити швидкість друку в сотню разів. Для цього таки знадобилося перевернути все з ніг на голову.

Як не допустити кисень до активних молекул полімеру? Оскільки варіант з герметичною камерою відпадає на самому початку, залишається інший: що, якщо проводити друк не на поверхні ванни з рідким фотополімером, а на глибині, куди з поверхні не дістанеться жодна молекула кисню? Наприклад, зробити у ванни прозоре дно і світити лазером не згори, а знизу. Тоді можна було б друкувати деталь, поступово витягаючи її з-під шару рідкого полімеру. Варіант хороший, за винятком одного - полімер почне твердіти прямо в місці його контакту з прозорим дном, і деталь, що створюється, просто приклеїться до ванни. Ось тут і полягає все ноу-хау винаходу. Розробникам вдалося зробити так, щоб деталь, що виготовляється, не "пригорала" до поверхні ванни. І допоміг їм у цьому, як не дивно, той самий "поганий" кисень.

Дно ванни для рідкого полімеру виготовили із спеціального тефлонового матеріалу, через який майже вільно можуть проникати молекули кисню, але водночас прозорий для ультрафіолетового випромінювання лазера. Що виходить? Молекули кисню проникають крізь таку мембрану і розчиняються в рідкому придонному шарі. Лазерний промінь, що світить крізь мембрану, активує молекули фотополімеру, і ті починають зв'язуватися один з одним, але прилипнути до дна їм заважає тонкий шар, насичений киснем. Товщина такого "антипригарного" покриття всього кілька десятків мікрометрів - приблизно як людське волосся. Знайшовши баланс між проникністю мембрани, властивостями фотополімеру та потужністю лазера, можна зробити весь процес 3D-друку надзвичайно швидким.

У своїх експериментах розробники технології досягли швидкості 500 міліметрів на годину, що в сто разів перевищує швидкість друку методом звичайної лазерної стереолітографії. А надрукований виріб ефектно виникає з ванни, наповненої рідким полімером.