Material Jetting

Material Jetting — это технология аддитивного производства (трёхмерной печати), в которой трёхмерный объект создаётся путём послойного нанесения капель фотополимерного материала, которые отверждаются под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения. Относится к классу технологий струйной печати, аналогичных двухмерной струйной печати, но с использованием светочувствительных смол и, часто, поддерживающих материалов.

История

Технология Material Jetting (MJ) возникла как развитие струйной печати, применяемой в полиграфии. Первые патенты на использование струйных головок для трёхмерной печати были зарегистрированы в конце 1990-х годов. Коммерциализация технологии началась в начале 2000-х годов, когда компания Objet Geometries (Израиль, ныне часть Stratasys) представила первые системы, использующие УФ-отверждаемые фотополимеры. Параллельно развивались технологии PolyJet (Stratasys) и MultiJet (3D Systems). В 2010-х годах технология получила широкое распространение в промышленности, стоматологии, ювелирном деле и прототипировании благодаря высокой точности и возможности печати многоцветных и многоматериальных объектов.

Принцип работы

Процесс Material Jetting включает несколько последовательных этапов:

1. Подготовка данных: Создание цифровой 3D-модели в CAD-системе, её нарезка на тонкие слои (обычно толщиной от 16 до 32 микрон) в программном обеспечении слайсера.
2. Подача материала: Строительный материал (фотополимер) и, при необходимости, поддерживающий материал подаются в печатающую головку из картриджей.
3. Нанесение капель: Печатающая головка, содержащая множество микроскопических сопел (дюз), движется в плоскости XY, выборочно нанося капли жидкого фотополимера на рабочую платформу. Капли имеют объём от нескольких пиколитров до десятков пиколитров.
4. Отверждение: Сразу после нанесения каждая капля подвергается воздействию ультрафиолетового излучения от ламп, встроенных в печатающую головку. Фотополимер мгновенно полимеризуется, превращаясь в твёрдый материал.
5. Формирование слоя: После завершения одного слоя платформа опускается на высоту одного слоя, и процесс повторяется для следующего слоя. Поддерживающий материал, если он используется, наносится в областях, где требуется поддержка нависающих элементов или сложных геометрий.
6. Постобработка: После завершения печати объект извлекается из камеры. Поддерживающий материал удаляется механически (например, вручную или с помощью воды) или химически (растворением в щелочном растворе). В некоторых системах требуется финальное УФ-отверждение для повышения прочности.

Классификация и разновидности

Технология Material Jetting имеет несколько коммерческих реализаций, различающихся по типу используемых материалов и конструкции печатающей головки:

• PolyJet (Stratasys): Одна из наиболее распространённых разновидностей. Использует множество печатающих головок, позволяющих одновременно наносить несколько материалов (например, твёрдый, эластичный, прозрачный) и смешивать их для создания объектов с градиентными свойствами.
• MultiJet (3D Systems): Вариант, в котором используется одна печатающая головка с большим количеством сопел. Часто применяется для печати восковых моделей для литья по выплавляемым моделям (инвестиционное литьё).
• Drop on Demand (DoD): Технология, при которой капли наносятся только в необходимых точках, в отличие от непрерывной струйной печати.
• Continuous Inkjet (CIJ): Менее распространённый вариант для 3D-печати, где струя чернил непрерывна, а ненужные капли отклоняются в сборник.

Материалы

Основным материалом для Material Jetting являются фотополимерные смолы, отверждаемые под действием УФ-излучения. Они могут быть:

• Стандартные: Твёрдые, непрозрачные, доступные в различных цветах.
• Прозрачные: Для создания оптически прозрачных деталей.
• Эластичные: Имитирующие резину, с различной твёрдостью по Шору.
• Высокопрочные: С повышенной ударной вязкостью и термостойкостью.
• Биосовместимые: Для медицинского применения (стоматология, хирургические шаблоны).
• Восковые: Для литья по выплавляемым моделям.
• Поддерживающие: Легко удаляемые (растворимые в воде или щелочи) или механически удаляемые (гелеобразные).

Применение

Благодаря высокой точности (до 16 микрон по оси Z) и возможности печати многоматериальных объектов, Material Jetting применяется в различных отраслях:

• Прототипирование: Создание высококачественных прототипов для проверки дизайна, формы и функциональности, включая сборки из нескольких материалов.
• Стоматология: Изготовление моделей челюстей, хирургических шаблонов, временных коронок и мостов.
• Ювелирное дело: Печать восковых моделей для последующего литья по выплавляемым моделям.
• Медицина: Создание анатомических моделей для планирования операций, учебных пособий.
• Промышленный дизайн: Изготовление мастер-моделей, форм для силиконового литья.
• Образование: Демонстрация сложных концепций и механизмов.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая точность и детализация: Толщина слоя от 16 микрон, гладкая поверхность, минимальная постобработка.
• Многоматериальность: Возможность печати объектов из нескольких материалов с различными свойствами (твёрдость, цвет, прозрачность) в одном процессе.
• Цветная печать: Возможность создания полноцветных объектов с реалистичной текстурой.
• Скорость: Быстрая печать для небольших и средних объектов.

Недостатки:

• Ограниченный выбор материалов: В основном доступны только фотополимеры, которые могут быть менее прочными, чем термопласты (FDM) или металлы (SLM).
• Высокая стоимость: Оборудование и расходные материалы (фотополимеры) дороже, чем для FDM-печати.
• Необходимость постобработки: Удаление поддерживающего материала может быть трудоёмким.
• Чувствительность к УФ-излучению: Готовые детали могут деградировать под воздействием прямого солнечного света.
• Ограниченный размер камеры: Большинство систем имеют относительно небольшую рабочую область.

Интересные факты

• Технология Material Jetting позволяет создавать объекты с градиентными свойствами, например, плавно переходящие от твёрдого к эластичному материалу.
• Некоторые системы MJ могут печатать объекты с разрешением до 600 dpi (точек на дюйм) по осям X и Y.
• Поддерживающий материал в технологии PolyJet часто представляет собой гелеобразное вещество, которое легко удаляется струёй воды.

Источники

• Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
• Wohlers, T. T. (2023). Wohlers Report 2023: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. Wohlers Associates.
• Stratasys Ltd. (2024). PolyJet Technology Overview. Официальная документация.
• 3D Systems Corporation. (2024). MultiJet Printing Technology. Официальная документация.