Научно-исследовательская работа, о которой мы расскажем, раскрывает некоторые сложности при проектировании системы объемной 3D-печати.Недавний комментарий от читателя Fabbaloo Каллума Видлера (Callum Vidler), который увидел наш рассказ, в котором перечислены известные проекты, работающие над невероятной технологией объемной 3D-печати, предложил взглянуть на его исследовательский тезис, который, как оказалось, полностью посвящен объемной 3D-печати.
Видлер, который представил диссертацию как часть своей работы на степень бакалавра машиностроения в Школе инженерии в Университете Дикин в Австралии (https://www.deakin.edu.au/), провёл обширное проектирование, чтобы разработать не только рабочий объемный 3D-принтер, но и специальную смолу, используемую в нем, и программное обеспечение, необходимое для подготовки заданий для 3D-печати.
Проект выглядит довольно успешным, так как Видлер смог напечатать 3D несколько объектов, в том числе бокал для мартини. Видлер пишет: «Вполне возможно, что эта ехнология однажды будет использоваться аналогично репликатору из Star Trek, где Пикард смог материализовать бокал мартини из воздуха. Как дань этому предвидению, бокал для мартини был выбран, чтобы проиллюстрировать способность принтера воспроизвести это».
Если в истории 3D-печати был какой-то шаг, который бы сильно повлиял в тот особенный момент, когда мы все осознали, что 3D-печать - это поистине волшебная технология, которая действительно может стать реальностью, это как раз тот момент. Бокал мартини был произведен или «воспроизведен» всего за 45 секунд.
Если вы не знакомы с этой концепцией объемной 3D-печати, это революционный подход к 3D-печати, при котором световой поток определённой формы излучается в ванне из чистой смолы со всех сторон. Объект просто быстро затвердевает внутри чана, так как световые рисунки предназначены для реверсирования процесса сканирования. Подробнее о объемной 3D-печати читайте здесь — https://www.fabbaloo.com/blog/2020/2/25/whos-working-on-volumetric-3d-printing.
Дипломная работа Видлера довольно обширная, она содержит более 100 страниц и 110 МБ данных для выгрузки. Несмотря на то, что в ней содержится значительный объём математических расчётов, я все же призываю вас ознакомиться с этой работой, поскольку в ней объясняются многие аспекты объемной трехмерной печати, которые вы, возможно, не осознали.Имейте в виду, что Видлер на самом деле построил рабочий объемный 3D-принтер, для чего должен был не только сконструировать устройство, смолу и программное обеспечение, но также должен был определить, обычно математически, механически и химически, как именно он будет работать.
Невозможно воспроизвести его работу здесь, но можно предложить некоторые основные моменты, которые являются особенно интересными. Особый интерес представляет скорость отверждения смолы до твердого состояния. Рисунки, которые проецируются в смолу, являются сложными и варьируются, так как в реализации Видлера ванна со смолой активно вращается во время печати. Существуют сложные математические расчёты, необходимые для определения скорости отверждения в разных местах вокселей (3-х мерных пикселей), и поэтому программное обеспечение, которое генерирует проекционные изображения, должно это учитывать.
Подготовка проекционных изображений невероятно сложна, так как она по сути определяет обратный процесс КТ-сканирования. Вместо получения проекции объекта под разными углами, программное обеспечение должно определить, какими должны быть проекции, основываясь на знании геометрии объекта. Процесс разработки этих представлений интенсивно использует несколько методов, включая преобразования Фурье и другие методы для уменьшения «шума». Результаты этих процессов могут создать довольно подробную проекцию, как показано выше.
Подход Видлера к этой проблеме, по сути, заключается в разделении объема емкости со смолой на набор трехмерных вокселей. Остаётся только гарантировать, что плотность энергии, приложенная к каждому вокселю, соответствует конкретной производимой 3D-модели. Больше энергии может вытолкнуть воксель за состояние, где он затвердеет. Меньше, и он останется жидким. Это совершенно другой взгляд на задание 3D-печати, так как большинство систем используют многократно повторяемую послойную концепцию.
Плотность энергии не вызывает непосредственный эффект, так как вращающийся резервуар многократно подвергает отдельные вокселы воздействию энергии от проекции. Это делает вещи ещё более сложными. По мере удаления вокселя от проектора количество энергии, достигающей его, уменьшается, поскольку фотоны должны пройти через большее количество смолы, чтобы попасть туда.
Видлер разработал довольно простую механическую систему для реализации своей объемной концепции. Здесь вы можете увидеть схему устройства. В этом нет ничего слишком волшебного, так как это просто вращающийся бак, DLP-проектор и линза Френеля. Линза используется для того, чтобы выпрямить проекцию, насколько это возможно, иначе она расходилась бы во время движения. Несмотря на объектив, проекция света все же несколько расходится, и это опять-таки добавляет сложность программному обеспечению, генерирующему проекции.
Это одна из областей, в которой было много вопросов, и работа Видлера ответила на большинство из них.
Один вопрос был о требовании прозрачности к смоле. Если это непрозрачно, как это вообще может работать? Оказывается, это действительно должно быть, по крайней мере в основном, прозрачно. Тем не менее, Видлер предлагает формулы для определения степени, в которой световые сигналы ухудшаются при прохождении через смолу, что опять-таки должно решаться программным обеспечением для проектирования.
Удивительно, что существует потребность в высоковязкой смоле, в отличие от современных смоляных 3D-принтеров, для которых обычно требуется менее вязкая смола для более быстрой смены слоев. Вязкая смола позволяет 3D-печать объектов без каких-либо структур поддержки; затвердевшие элементы подвешены в трехмерном пространстве с помощью окружающей смолы. Тем не менее, Видлер говорит, что при затвердевании происходит небольшое изменение плотности, но быстрая печать не дает достаточно времени, чтобы это имело значение.
Вязкая смола позволяет интегрировать гораздо больше добавок, чем могут содержать обычные смолы для 3D-принтеров, что позволяет предположить, что в разработке этой технологии могут быть использованы некоторые интересные материалы. Одной добавкой, используемой Видлером, был кислород, элемент, которого обычно избегают на смоляных 3D-принтерах, поскольку он препятствует затвердеванию. Но в объемной системе вы на самом деле хотите замедлить затвердевание, так как световые рисунки должны проходить сквозь смолу свободно на некоторое расстояние.
Эта диаграмма показывает шаги, используемые Видлером для успешного выполнения объемной 3D-печати. Обратите внимание, что существует несколько очень сложных шагов, предполагающих, что это не то, что кто-то может попробовать. Требуются превосходные знания в области химии, математики и инженерии.
В качестве теста Видлер произвёл 3D-печать идентичных объектов на объемном устройстве, экструзионном 3D-принтере (UP MINI) и полимерном 3D-принтере (Elegoo Mars) для сравнение. Во всех тестах объемный подход был значительно быстрее, хотя результаты варьировались в зависимости от объема трехмерной модели.
Этот результат сравнения скорости невероятен. Также важно отметить, что объемные отпечатки полностью изотропны и поэтому не имеют проблем с прочностью на границе слоёв.
В диссертации Видлера можно найти гораздо больше, и я настоятельно рекомендую вам подробно ознакомиться с ней, если вы заинтересованы в объемной 3D-печати.
Источник: https://www.fabbaloo.com/blog/2020/3/5/volumetric-3d-printing-is-far-more-complex-than-you-imagine