Струйная трёхмерная печать

Струйная трёхмерная печать (также известная как PolyJet, MultiJet Printing (MJP) или Inkjet 3D-печать) — это аддитивная технология, в которой трёхмерные объекты создаются путём послойного нанесения фотополимерных материалов, отверждаемых ультрафиолетовым (УФ) излучением. Технология основана на принципе струйной печати, аналогичном используемому в обычных струйных принтерах, но вместо чернил на подложку наносятся капли жидкого фотополимера, которые мгновенно застывают под действием УФ-лампы. Струйная трёхмерная печать позволяет получать детали с высоким разрешением, гладкой поверхностью и возможностью использования нескольких материалов в одном изделии.

История развития

Технология струйной трёхмерной печати берёт начало в конце 1980-х — начале 1990-х годов, когда исследователи начали адаптировать струйные печатающие головки для нанесения не чернил, а полимерных материалов. Первые коммерческие системы были разработаны в 1990-х годах.

Ранние разработки

В 1993 году американская компания Solidscape (изначально Sanders Prototype) представила первую систему, использующую струйную печать для создания восковых моделей для литья. Однако настоящий прорыв произошёл в 2000 году, когда израильская компания Objet Geometries (позже объединилась с Stratasys) выпустила первый коммерческий принтер на основе технологии PolyJet. В 2005 году компания 3D Systems представила технологию MultiJet Printing (MJP), также основанную на струйном нанесении фотополимеров.

Современное состояние

В 2010-х годах технология получила широкое распространение в промышленности, медицине и стоматологии. Крупнейшими производителями систем струйной трёхмерной печати являются компании Stratasys (Израиль/США) и 3D Systems (США). В России технология представлена в основном через дистрибьюторов и научно-исследовательские центры, однако серийное производство отечественных принтеров данного типа ограничено.

Принцип работы

Процесс струйной трёхмерной печати состоит из нескольких этапов:

1. Подготовка данных: 3D-модель объекта разбивается на тонкие слои (обычно толщиной от 16 до 32 микрон) с помощью специализированного программного обеспечения.
2. Нанесение материала: Печатающая головка, оснащённая множеством микросопел (от нескольких сотен до тысяч), наносит капли жидкого фотополимера на платформу. Капли имеют диаметр порядка 10–50 микрон.
3. Отверждение: Сразу после нанесения каждого слоя УФ-лампа, установленная на печатающей головке, отверждает полимер, превращая его в твёрдый пластик.
4. Формирование поддержек: Для нависающих элементов и полостей используется специальный поддерживающий материал (гелеобразный или воскообразный), который также наносится струйным методом. После печати он удаляется механически, водой или в растворителе.
5. Постобработка: Готовое изделие очищается от поддержек, при необходимости шлифуется или окрашивается.

Ключевое отличие от других технологий (например, FDM или SLA) — возможность одновременной печати несколькими материалами, включая жёсткие, эластичные, прозрачные и биосовместимые полимеры.

Классификация

Струйная трёхмерная печать классифицируется по нескольким признакам:

По типу используемого материала

• Фотополимерная (PolyJet, MJP): Основной класс, использующий акриловые или эпоксидные фотополимеры. Обеспечивает высокое качество поверхности.
• Восковая: Используется для создания моделей для литья по выплавляемым моделям (ювелирная промышленность, зубопротезирование).
• Гибридная: Комбинация фотополимеров с добавлением керамических или металлических частиц для получения композитных свойств.

По области применения

• Промышленная: Для прототипирования, производства оснастки, мелкосерийного выпуска деталей.
• Медицинская: Для создания анатомических моделей, хирургических шаблонов, имплантатов (из биосовместимых материалов).
• Стоматологическая: Для печати моделей челюстей, коронок, мостов, капп.
• Ювелирная: Для создания восковых моделей для литья.

Устройство и характеристики

Основные компоненты системы

• Печатающая головка: Пьезоэлектрическая или термоструйная, с калиброванными соплами. Обеспечивает точное дозирование капель.
• УФ-лампа: Ртутная или светодиодная, мощностью от 10 до 100 Вт, для мгновенного отверждения.
• Платформа построения: Обычно алюминиевая или стеклянная, с возможностью подогрева для улучшения адгезии.
• Система подачи материала: Картриджи с фотополимером и поддерживающим материалом, соединённые с головкой гибкими трубками.
• Блок управления: Контроллер, управляющий движением головки, дозированием и отверждением.

Технические характеристики

• Толщина слоя: 16–32 мкм (стандарт), до 5 мкм (прецизионные режимы).
• Разрешение по осям X/Y: 600–1200 dpi (точек на дюйм).
• Область построения: От 100×100×100 мм (настольные модели) до 1000×800×500 мм (промышленные системы).
• Скорость печати: 10–50 мм/час по высоте (зависит от сложности и толщины слоя).
• Количество материалов: От 1 до 14 (в многоматериальных системах).

Применение

Промышленное прототипирование

Струйная печать широко используется для создания функциональных прототипов, которые по внешнему виду и тактильным ощущениям близки к серийным изделиям. Возможность печати прозрачными, резиноподобными или цветными материалами позволяет оценить дизайн и эргономику до запуска в производство.

Медицина и стоматология

В стоматологии технология применяется для печати моделей зубных рядов, хирургических шаблонов для имплантации, временных коронок и мостов. В медицине — для создания анатомических моделей органов (по данным КТ и МРТ), используемых для планирования операций. Биосовместимые фотополимеры (например, серия MED610 от Stratasys) сертифицированы для кратковременного контакта с кожей и слизистыми.

Ювелирное дело

Ювелиры используют струйную печать восковыми материалами для создания моделей, которые затем отливаются в металле (золото, серебро, платина). Это позволяет изготавливать сложные ажурные изделия с высокой точностью.

Образование и научные исследования

В университетах и лабораториях технология применяется для изучения аддитивных процессов, создания учебных пособий и макетов, а также для разработки новых материалов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое разрешение и гладкость поверхности: Минимальная толщина слоя (до 16 мкм) позволяет получать детали с качеством, близким к литьевому формованию.
• Многоматериальность: Возможность печати одним изделием из материалов с разными свойствами (жёсткий, эластичный, прозрачный).
• Цветная печать: Некоторые системы (например, Stratasys J750) позволяют печатать в полноцветном режиме, смешивая базовые цвета.
• Минимальная постобработка: Поддерживающий материал удаляется легко, без механического вмешательства.

Недостатки

• Высокая стоимость материалов: Фотополимеры для струйной печати значительно дороже, чем филаменты для FDM или порошки для SLS.
• Ограниченная прочность: Изделия из фотополимеров менее прочны и термостойки, чем детали из инженерных пластиков (например, ABS или нейлона).
• Чувствительность к УФ-излучению: Материалы могут деградировать при длительном воздействии солнечного света.
• Ограниченный размер построения: Промышленные системы имеют область построения до 1 метра, что меньше, чем у некоторых FDM-принтеров.

Интересные факты

• Технология PolyJet была впервые продемонстрирована на выставке EuroMold в 2000 году и вызвала большой интерес благодаря возможности печати прозрачными материалами.
• В 2015 году компания Stratasys выпустила принтер J750, способный печатать в 360 000 цветов, что сделало его первым полноцветным 3D-принтером на рынке.
• В стоматологии струйная печать позволяет изготавливать до 100 моделей челюстей за одну рабочую смену, что значительно ускоряет процесс протезирования.
• Некоторые исследовательские группы (например, в MIT) экспериментируют с использованием струйной печати для создания активных материалов, меняющих форму под воздействием температуры или света.

Критика и ограничения

Основные критические замечания в адрес технологии связаны с её экономической неэффективностью для крупносерийного производства. Высокая стоимость расходных материалов и ограниченный срок хранения фотополимеров (обычно 6–12 месяцев) делают её малопригодной для массового выпуска изделий. Кроме того, утилизация отверждённых фотополимеров требует специальных мер, так как они не являются биоразлагаемыми. В России технология также сталкивается с проблемами импортозамещения: большинство материалов и комплектующих поставляются из-за рубежа, что увеличивает себестоимость и зависимость от внешних поставок.

Источники

1. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. — Springer, 2015.
2. Wohlers T., Campbell I., Diegel O., Kowen J. Wohlers Report 2023: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. — Wohlers Associates, 2023.
3. Stratasys Ltd. PolyJet Technology: White Paper. — 2020.
4. 3D Systems Corporation. MultiJet Printing: Technical Overview. — 2021.
5. Патент РФ № 2 456 152: Способ струйной трёхмерной печати и устройство для его осуществления. — 2012.
6. Материалы конференции «Аддитивные технологии в промышленности» (Москва, 2022). — Сборник докладов.