В процессе работы над каким-то серьезным архитектурным или техническим проектом часто бывает трудно выявить различные ошибки и недостатки, используя только экран монитора; к тому же не все способны легко ориентироваться в трехмерных проекциях. Имея же реальную физическую модель будущего изделия, можно выявить и устранить различные ошибки, скорректировать процесс проектирования. Кроме того, прототип отдельного изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа общей конструкции — вплоть до проведения некоторых функциональных тестов (например, продувки будущего автомобиля в аэродинамической трубе), а общая модель, в свою очередь, может понадобиться для изготовления отдельной инструментальной оснастки. К тому же прототип может применяться в маркетинговых целях, для рекламы, при определении стоимости изготовления, а также для того, чтобы быстрее найти взаимопонимание между проектировщиками и заказчиками, сокращая тем самым время выхода продукта на рынок.
Традиционные способы получения моделей будущих изделий — изготовление из легко обрабатываемых материалов вручную или на обычных станках. Однако на изготовление такой модели затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку нового изделия и задержке сроков выпуска новой продукции.
С проникновением в область проектирования технологий 3D-графики появились и активно развиваются новые компьютерные технологии так называемого быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, RP), или трехмерной печати. Они предоставляют возможность получать физические детали и модели без инструментального изготовления — путем автоматического преобразования данных из 3D-представления в физическую модель по нажатии только одной кнопки. Таким образом, при завершении работы над виртуальной 3D-моделью можно дать команду «Печать», подобно тому, как мы делаем это в текстовом редакторе, и через несколько часов или дней, в зависимости от размера и сложности проекта, получить физическую модель.
После прежних методов прототипирования, существовавших до середины 80-х годов, RP-системы ознаменовали собой переворот в технологии. Вместо того чтобы ждать появления модели на протяжении нескольких недель, конструкторы теперь могут получать их через несколько часов или даже минут.
В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся сегодня, работают по схожим принципам построения физической модели, которые заключаются в следующем:
• считывание трехмерной геометрии из 3D-систем (обычно это твердотельные модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами);
• разбиение 3D-модели на простейшие составляющие или на слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, которая поставляется вместе с оборудованием для 3D-печати;
• построение детали в объемной структуре полимера или слой за слоем до тех пор, пока не будет получен физический прототип.
На профессиональном рынке предлагается целый ряд RP-принтеров, значительно различающихся по классам, ценам и возможностям. Дешевле всех стоят монохроматические 3D-принтеры, которые делают модели небольшого объема для использования в концептуальном дизайне и быстром прототипировании. Цены таких систем начинаются с нескольких десятков тысяч долларов. Самые дорогие — это производственно-ориентированные системы, которые делают точные цветные модели большого объема. Стоимость таких машин — сотни тысяч долларов.
RP-системы появились в конце 80-х годов, когда компания 3D Systems выпустила первые стереолитографические машины Stereo Litographics Appa-ratus (SLA). Наряду с 3D Systems такое оборудование выпускают компании Stratasys, DTM , Helisys, Inc. , Sanders Prototypes, Inc., Cubital America, Inc. , Z Corporation и др.
Основным рабочим элементом стереолитографии является ультрафиолетовый лазер, который последовательно вычерчивает сечения объекта на поверхности емкости со светочувствительной полимерной смолой. Жидкий пластик отвердевает только там, где его касается лазерный луч, а новый слой жидкого пластика распространяется по отвердевшей поверхности, и лазером вычерчивается контур следующего слоя. Процесс повторяется автоматически до полного построения детали.
Работа RP-систем, как правило, основана на фотополимеризации — химическом процессе, при котором жидкий полимер становится твердым под воздействием ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.
Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, постепенно образуя объемное физическое тело, а также технологии спекания порошковых материалов при сильном нагревании. На первый взгляд такие технологии очень похожи на технологии обычной плоской печати, особенно если рассматривать процесс создания объемной модели по слоям.
По SLS-технологии (Selective Laser Sintering — лазерное спекание порошковых материалов) 3D-объект создается из порошкообразных материалов (пластик, металл, нейлон и керамика) после спекания при помощи лазера. Лазерный луч, попадая на тонкий слой порошка, спекает порошковые частицы, которые формируют твердую массу, по форме соответствующую 3D-модели и определяющую геометрию детали. При LOM-процессе (Lamineted Object Manufacturing — изготовление объектов с использованием ламинирования) также используется лазер, который вырезает контуры сечений слой за слоем. При FDM-процессе (Fused Deposition Manufacturing — послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал подается через выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом.
Существуют технологии, использующие специальные связующие составы, которые наносятся на порошкообразные смеси керамики, металла, пластика, крахмала, гипса и других материалов. Склеивание частиц порошка приводит к образованию объемных моделей. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их. И поскольку формируемая деталь целиком погружена в порошок, то нет необходимости ее поддерживать. После завершения формирования образец извлекается из рабочей камеры и очищается от излишков порошка. Изделие может быть также пропитано лаком или воском для придания дополнительной прочности либо подвергнуто механической обработке. Так, в некоторых аппаратах построенная модель затем фрезеруется с целью получения гладкой поверхности и точного соблюдения размеров.