СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-ПЕЧАТИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДЕЖДЫ

Под понятием аддитивные технологии (Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM)) понимается технология создания изделия путём его послойного синтеза. В отличие от классических «вычитающих» методов, когда от заготовки отсекают ненужный материал для получения необходимого изделия, объект создаётся с нуля путём добавления материала слой за слоем. Наряду с аддитивными технологиями можно так же услышать понятие «быстрое прототипирование» (Rapid Prototyping). Авторы первых технологий 3D-печати предполагали их использование для создания макетов и прототипов изделий, однако современные аддитивные технологии позволяют также печатать готовый продукт.

Другими, и более распространенными, названиями аддитивных технологий являются 3D-технология и 3D-печать. Последнее название возникло из аналогии с печатью изображений на плоских материалах (бумаге, пленке) с помощью струйного принтера.

Несмотря на то, что аддитивные технологии — направление относительно молодое, на данный момент уже существует множество запатентованных технологий объемной печати, количество этих патентов каждый день увеличивается [1]. Столь же обширна сфера применения 3D-печати. Строительство домов, создание реактивных двигателей и огнестрельного оружия, печать человеческих органов, зубное протезирование — малая часть того, где уже применяется 3D-печать [2]. Таким же образом 3D-печать проникает и в сферу создания одежды. Однако на сегодняшний день эта одежда появляется лишь в качестве шоу на модных показах, а научная сторона вопроса осталась в стороне [3].

Все выше сказанное подтверждает недостаточную проработанность в научных исследованиях проблемы использования и дальнейших перспектив 3D-печати одежды и определяет актуальность проведения сравнительного анализа наиболее распространенных технологий 3D-печати.

В качестве критериев для сравнения технологий 3D-печати для печати одежды целесообразно использовать следующие показатели: стоимость устройств 3D-печати, точность печати, используемые для 3D-печати материалы, максимальный размер печатаемой детали, скорость печати, необходимость в постобработке напечатанного изделия.

Проанализировав отечественные [4; 5 ; 6] и зарубежные [7] научные работы, посвящённые обзору технологий 3D-печати, был сделан вывод, что на сегодняшний день самыми распространенными технологиями 3D-печати являются FDM, SLA, и SLS.

FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления) — данная технология подразумевает создание модели путем послойного нанесения расплавленного материала. Самая широко распространенная на сегодняшний день технология 3D-печати, благодаря низкой стоимости печатающих устройств и относительно невысокой стоимости используемых материалов. Кроме низкой стоимости, к плюсам данной технологии можно отнести большой ассортимент материалов для печати. Помимо твердых пластиков, это также могут быть гибкие материалы, например нейлон, различных цветов. Кроме того, в рамках этой технологии не критично ограничение по максимальному размеру печатаемой детали — существуют принтеры, способные напечатать деталь до 3,5 метров в длину.

Недостатки данной технологии начинаются с низкой скорости печати, так как для печати каждого слоя печатающая головка принтера должна последовательно нанести расплавленный материал на всю плоскость среза детали. Самым большим минусом технологии является точность, то есть соответствие напечатанной детали ее 3D-модели. Разрешение печати по данной технологии ограничена толщиной печатаемого слоя, которая может находиться в пределах от 0,028 до 0,3 мм. Кроме того, печать этим методом может иметь дефекты, например, коробление детали вследствие неравномерного остывания, и деформация слоев из-за недостаточно быстрого остывания отпечатанного материала [8]. Так же большим ограничением применительно к сфере создания одежды является невозможность печатать нависающие элементы. Несмотря на возможность печати специальных подпорок для таких элементов, ввиду того, что детали одежды состоят из очень мелких звеньев, последующее удаление подпорок может повредить сами детали. Виду низкой точности печати по этой технологии, отпечатанной детали почти всегда необходима постобработка, а именно удаление поддерживающего материала, и шлифовка детали.

SLS (Selective Laser Sintering, выборочное лазерное спекание) — технология, основанная на последовательном спекании порошкового материала при помощи лазера высокой мощности. До недавнего времени принтеры, печатающие по технологии SLS, выпускались только для промышленной сферы применения, однако, в связи с высококонкурентной ситуацией на рынке патентов этой технологии, в настоящий момент активно появляются в продаже SLS-принтеры для домашнего использования, цена на которые составляет около 350 тысяч рублей (Sintratec Kit).

Разрешение печати ограничено только диаметром лазерного луча и размером частиц спекаемого порошка, как правило, оно в пределах от 10 до 100 мкм, в подпорках нет необходимости, так как в роли поддерживаемой конструкции выступает сам порошок, в котором находится деталь. При проектировании изделий единственным ограничением является невозможность создавать полые детали без отверстий, так как в таком случае удаление порошка из этой полости станет невозможным.

После завершения печати изделию может потребоваться шлифовка поверхности, так как, хотя она намного более гладкая, чем при FDM печати, присутствует шероховатость, обусловленная размером частиц самого запекаемого порошка. Оставшийся порошок можно использовать повторно.

Скорость печати по данной технологии FDM, так как при печати порошком нужный срез модели запекается весь одновременно, таким образом, время печати зависит только от высоты модели.

Порошки для печати по этой технологии, в основном ориентированы на достижение таких качеств, как прочность и надежность, примерами же эластичных материалов могут послужить нейлон, а также материал TPU 92A-1 и DuraForm Flex. Правда, эти материалы производятся только в белом или черном цвете, поэтому при необходимости придать изделию другой цвет, его придется покрасить.

SLA (Stereolithography, стереолитография) — технология производства изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером. Стоимость SLA-принтеров начинается от 385 тысяч рублей для домашних моделей и заканчивается 2 млн. рублей для профессионального устройства.

Толщина слоя при печати по этой технологии может достигать 1 мкм. Принтеры с такой точностью обычно используют в ювелирном деле и стоматологии, эти принтеры позволяют напечатать идеально гладкую поверхность, в качестве постобработки необходимо лишь промыть изделие в растворителе, чтобы очистить его от жидкого фотополимера. Большими недостатками этой технологии в отношении создания одежды является совсем небольшая область печати, 20 см по одной стороне максимум, и необходимость использовать поддерживающие конструкции.

Скорость печати составляет 70 см/час. Такая высокая скорость обуславливается сведенным к минимуму использованием механических приводов только для опускания платформы.

Жидкие полимеры для печати производятся также с разнообразными свойствами, как жесткими, так и гибкими, так же разных цветов, которые можно смешивать между собой, получая большое количество новых оттенков. Также нельзя забывать, что некоторые из полимеров могут быть токсичными.

Результат проведенного сравнительного анализа можно представить в виде Таблицы 1.

Таблица 1

Сравнительный анализ технологий 3D-печати

Из нее можно сделать вывод, что из представленных технологий 3D-печати, оптимальной для создания одежды является технология SLS. 3D-принтеры этой технологии обладают хорошей точностью печати, широкими возможностями печати изделий с мелкими деталями и сложной геометрией, не нуждаются в трудоемкой постобработке. Технология FDM также может применяться для создания одежды, ввиду низкой стоимости принтера и большого выбора материалов для печати, но возможности проектирования 3D-модели для печати в таком случае будут сильно ограничены, а также создание изделия займет очень много времени за счет медленной печати и длительной постобработки детали. SLA-технология выглядит наименее удачной для применения в создании одежды, так как, имея довольно высокую стоимость, имеет также существенные ограничения в виде необходимости создавать поддерживающие конструкции, и малую область печати.

Список литературы:

1. Токарев Б.Е., Токарев Р.Б.  Анализ технологий рынка 3d печати: два года спустя // Интернет-журнал Науковедение. — 2016. —  № 1(32). — С. 26.
2. Литовкин С. В. Применение технологии 3d печати в различных сферах деятельности // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. — Томск, 2014. — С.218-221.
3. Рукавишникова А.С., Евсеева А.А. Инновационные технологии 3d-печати в сфере индустрии моды // Научно-методический электронный журнал концепт. – 2015. – Т. 13. – С. 3301-3305.
4. Литунов С. Н., Слободенюк В. С., Мельников Д. В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 1 // Омский научный вестник. — 2016 — №1(145) —С.12–17.
5. Литунов С. Н., Слободенюк В. С., Мельников Д. В.  Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 2 // Омский научный вестник. — 2016 — №5(149) —С.20–24.
6. Лысыч М.Н., Шабанов М.Л., Качурин А.А. Обзор современных технологий 3d печати // Современные наукоемкие технологии. — Пенза, 2015 — №6 — С.26–30.
7. Chang, Shawn H. Exploring the evolution of additive manufacturing industry // Thesis: S.M. in Engineering and Management. — Massachusetts Institute of Technology. — 2016. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/106243 (дата обращения: 09.04.18).
8. Зайцев В.Д., Наумкин Н.И., Кильмяшкин Е.А. Дефекты, сопровождающие технологии быстрого прототипирования, и методы их устранения // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. — Саранск, 2016 — С. 417—422.