Материал Jetting

Material Jetting — это технология аддитивного производства, в которой трёхмерные объекты создаются путём послойного нанесения (струйной печати) фотополимерных материалов, которые отверждаются под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения. Процесс аналогичен струйной печати на бумаге, но вместо чернил используются жидкие смолы, способные полимеризоваться. Material Jetting позволяет создавать детали с высокой точностью, гладкой поверхностью и возможностью комбинирования нескольких материалов в одном изделии, включая цветные и разнородные по свойствам (жёсткие, эластичные, прозрачные) компоненты.

История развития

Технология Material Jetting берёт своё начало в 1990-х годах, когда компании начали адаптировать принципы струйной печати для трёхмерного прототипирования. Одним из пионеров стала израильская компания Objet Geometries (основана в 1998 году), которая в 2000 году представила первый коммерческий 3D-принтер, работающий по технологии PolyJet (запатентованное название процесса). В 2012 году Objet объединилась с американской компанией Stratasys, образовав одного из крупнейших производителей аддитивного оборудования. Параллельно развивалась технология MultiJet Printing (MJP) компании 3D Systems, основанная на схожих принципах, но с некоторыми отличиями в механике нанесения и отверждения материала. В 2010-х годах Material Jetting получил распространение в промышленности для быстрого прототипирования, а также для создания литейных моделей и медицинских изделий.

Принцип работы и устройство

Процесс Material Jetting включает несколько последовательных этапов:

1. Подготовка данных. Цифровая 3D-модель (в формате STL, OBJ или другом) разбивается на тонкие горизонтальные слои (слайсы) толщиной обычно от 16 до 32 микрометров.
2. Нанесение материала. Печатающая головка, оснащённая множеством микросопел (пьезоэлектрических или термоструйных), движется по заданной траектории и наносит капли жидкого фотополимера на платформу или на предыдущий слой. Для сложных геометрий и нависающих элементов одновременно с модельным материалом наносится гелеобразный или воскообразный поддерживающий материал, который удерживает конструкцию в процессе печати.
3. Отверждение. Сразу после нанесения каждого слоя капли фотополимера облучаются УФ-лампой, установленной на той же каретке. Под действием света происходит полимеризация — жидкая смола превращается в твёрдый пластик.
4. Формирование слоя. Платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется для следующего слоя.
5. Постобработка. После завершения печати изделие извлекается из камеры. Поддерживающий материал удаляется механически (вручную или струёй воды) или растворяется в щелочном растворе (для водорастворимых опор). В некоторых случаях требуется финишная обработка: шлифовка, полировка или нанесение покрытий.

Ключевой особенностью технологии является возможность использования одной печатающей головки с несколькими каналами, каждый из которых подаёт свой тип материала. Это позволяет создавать детали с градиентными свойствами (например, от жёсткого к эластичному) или с разными цветами в одном изделии.

Классификация и разновидности

В зависимости от производителя и конструктивных особенностей, выделяют несколько коммерческих реализаций Material Jetting:

• PolyJet (Stratasys) — наиболее распространённая система, использующая пьезоэлектрические печатающие головки и фотополимеры на основе акриловых смол. Поддерживает печать несколькими материалами одновременно, включая прозрачные, резиноподобные (Tango), жёсткие (Vero) и биосовместимые (MED) серии.
• MultiJet Printing (MJP) (3D Systems) — технология, при которой модельный материал (обычно воскоподобный или фотополимер) наносится через термические струйные головки, а затем отверждается УФ-светом. Часто используется для создания восковых моделей для литья по выплавляемым моделям.
• Drop on Demand (DoD) — более старая разновидность, где капли наносятся только в нужных точках, что снижает расход материала, но ограничивает производительность.
• Continuous Inkjet (CIJ) — редко применяется в 3D-печати из-за низкой точности и высокого расхода материала.

Материалы

Основным материалом для Material Jetting являются фотополимерные смолы (акрилаты, эпоксиакрилаты, полиуретанакрилаты), которые отверждаются под УФ-излучением. Они обладают широким спектром свойств:

• Жёсткие и прочные (имитируют ABS, полипропилен, поликарбонат).
• Эластичные и резиноподобные (с твёрдостью по Шору от 27A до 95A).
• Прозрачные и полупрозрачные (для оптических прототипов).
• Цветные (базовая палитра смешивается в процессе печати, что позволяет получать миллионы оттенков).
• Биосовместимые (сертифицированы для контакта с кожей и слизистыми, используются в стоматологии и медицине).
• Высокотемпературные (выдерживают до 200–300 °C после термообработки).
• Литейные (воскоподобные составы, выгорающие без остатка при литье металлов).

Поддерживающие материалы делятся на два типа: гелеобразные (удаляются механически) и водорастворимые (растворяются в щелочной воде).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая точность и детализация. Толщина слоя до 16 мкм и разрешение по XY до 600–1200 dpi обеспечивают гладкую поверхность, сравнимую с литьём под давлением.
• Многообразие материалов в одной детали. Возможность печати композитов с градиентом свойств, цветных объектов и изделий с разной жёсткостью.
• Отсутствие необходимости в механической обработке. Многие детали готовы к использованию сразу после удаления опор.
• Быстрое прототипирование. Печать сложных геометрий занимает часы, а не дни.
• Масштабируемость. Системы могут иметь несколько печатающих головок и работать с большими платформами (до 1000 × 800 × 500 мм).

Недостатки

• Высокая стоимость материалов и оборудования. Фотополимеры дороже термопластов для FDM или порошков для SLS.
• Ограниченная прочность и термостойкость. Большинство фотополимеров уступают по механическим свойствам инженерным термопластам и металлам.
• Необходимость постобработки. Удаление опор — трудоёмкий процесс, особенно для сложных внутренних каналов.
• Чувствительность к УФ-излучению. Детали могут деградировать под воздействием солнечного света, если не покрыты защитным лаком.
• Ограниченный выбор материалов по сравнению с литьём. Невозможно напрямую печатать термопласты, металлы или керамику (хотя существуют гибридные технологии).

Применение

Material Jetting нашёл широкое применение в различных отраслях промышленности и медицины:

• Быстрое прототипирование. Создание концептуальных моделей, функциональных прототипов и мастер-моделей для проверки дизайна и эргономики.
• Ювелирное дело. Изготовление восковых моделей для литья по выплавляемым моделям (технология MJP).
• Стоматология. Печать хирургических шаблонов, моделей челюстей, временных коронок и мостов из биосовместимых фотополимеров.
• Медицина. Создание анатомических моделей для предоперационного планирования, индивидуальных имплантатов и ортопедических изделий.
• Автомобильная и авиационная промышленность. Изготовление оснастки, приспособлений, прототипов деталей интерьера и корпусов электроники.
• Образование и дизайн. Демонстрационные модели, архитектурные макеты, сувенирная продукция.

Сравнение с другими технологиями

Material Jetting занимает нишу между высокоточными, но медленными методами (стереолитография SLA) и более производительными, но менее точными (FDM). По сравнению с SLA, Material Jetting обеспечивает более гладкую поверхность и возможность многоматериальной печати, но уступает в прочности и термостойкости. По сравнению с SLS (селективное лазерное спекание), Material Jetting проигрывает в механических свойствах конечных деталей, но выигрывает в точности и отсутствии пористости.

Интересные факты

• В 2014 году компания Stratasys представила принтер Objet500 Connex3, способный печатать детали с тремя различными материалами одновременно, что позволило создавать объекты с градиентными свойствами (например, от резины до пластика).
• Технология Material Jetting используется для печати съедобных продуктов (например, шоколада или сахарных фигурок) при условии замены фотополимеров на пищевые чернила.
• В 2018 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали метод печати жидкими металлами (галлий-индиевым сплавом) с помощью струйной головки, что открывает перспективы для создания гибкой электроники.

Источники

• Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer, 2015.
• Wohlers, T. Wohlers Report 2023: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. Wohlers Associates, 2023.
• Статья «Material Jetting» на сайте Stratasys (www.stratasys.com).
• Руководство по технологии MultiJet Printing от 3D Systems (www.3dsystems.com).
• Обзор аддитивных технологий в журнале «Компьютерра» (№ 12, 2020).