Послойный принцип, на котором построена вся привычная 3D-печать, задаёт и её ограничения: нависающие элементы требуют поддержек, а прочность на границе слоёв всегда остаётся слабым местом. Объёмная аддитивная печать (volumetric additive manufacturing, VAM) — молодая технология, которая пытается убрать саму причину этих проблем: она формирует деталь не слоями, а сразу во всём объёме материала.
Чем VAM отличается от привычной SLA
По исходным компонентам VAM близка к стереолитографии: и там, и там есть источник света и светочувствительная смола, и в обоих случаях объект получают, отверждая нужные области в ванне или сосуде со смолой. Разница — в том, как эти области выбирают.
SLA обычно использует лазер и «прорисовывает» модель слой за слоем, пока геометрия не будет готова. VAM опирается на другую особенность фотополимеров: большинству из них нужно преодолеть определённый порог дозы, прежде чем начнётся отверждение. Ниже порога смола остаётся жидкой, сколько бы света через неё ни прошло.
Именно это свойство и делает возможной объёмную печать. Самые ранние варианты VAM использовали пересекающиеся лазерные лучи: по отдельности каждый луч не набирал достаточной дозы, а в точке пересечения порог преодолевался и смола отверждалась. Так можно было выращивать деталь по одной точке за раз, не касаясь остального объёма.
Ксолография: два разных длины волны вместо простого пересечения
Метод пересекающихся лучей работает, но на сложных моделях он неэффективен. Один из шагов вперёд — ксолография (xolography): здесь тоже используются пересекающиеся лучи, но с разными длинами волн, что даёт куда более тонкий контроль над зоной отверждения.
Плата за точность — сложная химия. Такой смоле нужны фотоинициаторы, чувствительные сразу к двум длинам волн, а это заметно сужает круг доступных составов и поднимает их стоимость.
Вычислительная осевая литография (CAL): томография наоборот
Нынешний фактический стандарт объёмной печати — computed axial lithography (CAL), вычислительная осевая литография. Метод заимствует математику из обычной томографии, той самой, что используется в компьютерных томографах, но применяет её в обратную сторону.
В томографии по набору проекций восстанавливают трёхмерный объект. В CAL по трёхмерной модели, наоборот, рассчитывают набор проекций, которые затем последовательно проецируют на вращающийся сосуд со смолой. Управляя тем, какая проекция подаётся в каждый момент поворота, задают дозу света в каждом «вокселе» объёма. Там, где суммарная доза за оборот превышает порог, смола отверждается; там, где не превышает, — остаётся жидкой.
Ключевое практическое следствие: в идеальном случае вся модель отверждается целиком и одновременно. Никаких слоёв, никаких поддержек, а время печати измеряется минутами, а не часами. Заодно исчезает и характерная для послойных методов анизотропия по границам слоёв.
Три барьера на пути к массовому применению
История VAM повторяет путь всей 3D-печати. Стереолитография в своё время тоже была дорогой лабораторной технологией, пока проект RepRap не вынес её в сообщество любителей — и то, что начиналось как криво выдавленные куски пластика, со временем стало давать детали, которые иначе не изготовить.
С объёмной печатью происходит похожее. Первый открытый проект OpenCAL выпустила около 2019 года та же лаборатория Калифорнийского университета в Беркли, которая и разработала осевой вариант технологии. Практически он был применим только в исследовательских группах с большим бюджетом: слишком дорого и слишком сложно для любителя с обычной работой.
Дальше на конференции сообщества показали вариант, построенный на потребительском проекторе и распространённой хоббийной электронике, а к следующему сезону подготовили обновлённую версию железа. Но железо — только одна из трёх преград. Реально их три: аппаратная часть, программное обеспечение и химия смолы, и в одиночку ни один энтузиаст все три не закроет.
Железо: OpenCAL
OpenCAL рассчитан на разные объёмы печати, разные проекторы и вообще на адаптацию под то, что есть в наличии. Печать на такой машине занимает минуты. Помимо мелких образцов, характерных для ранней версии, ставились эксперименты и с более крупными форматами.
Софт: Tomo
Программ для управления объёмными принтерами существовало несколько, но у всех были общие беды: отсутствие документации и требование уверенно работать в командной строке. Ответ на это — отдельное приложение Tomo, которое позволяет работать с принтером OpenCAL без специальной подготовки и в идеале годится и для других объёмных принтеров.
Химия: почему смолу нельзя просто скачать
Материаловедение — традиционно самая тяжёлая для открытых проектов часть: удачный рецепт смолы нельзя размножить бесплатно, как программу, и распространять его без химических разрешений тоже нельзя. У FDM в своё время выкрутились подручными средствами — первые принтеры RepRap печатали нейлоновой леской для триммера вместо нынешнего PLA. Со смолой для VAM такой свободы нет: требования к ней жёсткие и взаимосвязанные.
- Нелинейный отклик на свет — без порога отверждения избирательность пропадает, и вместо детали получается засвеченный объём.
- Высокая прозрачность на рабочей длине волны — проекции должны проходить сквозь весь объём, а не поглощаться в первых миллиметрах.
- Высокая вязкость — она удерживает уже отверждённые области от смещения и не даёт материалу перемешиваться во время вращения сосуда.
Ситуация начала сдвигаться после переговоров команды OpenCAL с производителем фотополимерных принтеров и смол — обсуждается выпуск такой специальной смолы серийно, что должно заметно снизить её стоимость. Для технологии это едва ли не важнее нового железа: без доступного материала открытая аппаратная платформа остаётся демонстрацией.
Что ещё не решено
Обгонит ли объёмная печать традиционные методы — вопрос открытый. По скорости она уже быстрее, но в реальной работе всплывают задачи, которых у послойных технологий просто нет:
- Как удалять частично отверждённую смолу с поверхности готовой детали. Вокруг изделия остаётся материал, набравший часть дозы, и обычная промывка с ним справляется не всегда.
- Как понять, что печать закончена. В послойном процессе критерий очевиден — пройден последний слой. В объёмном отверждение идёт по всему сосуду сразу, и момент готовности приходится определять косвенно.
Обе задачи сейчас решаются сообществом, и это, пожалуй, главная характеристика этапа, на котором находится технология: её судьбу определяют не столько лаборатории, сколько те, кто пробует повторить установку у себя.
Стоит ли следить за этим сейчас
Для практикующего печатника VAM пока не замена ни FDM, ни SLA: экосистема материалов, повторяемость и постобработка у неё несопоставимо менее зрелые. Но направление интересно по двум причинам. Во-первых, оно бьёт по двум самым живучим болячкам послойной печати — поддержкам и межслойной прочности. Во-вторых, сценарий развития знакомый: дорогая лабораторная установка, затем открытая аппаратная платформа, затем доступный материал и удобный софт. Именно по этому маршруту в своё время прошла стереолитография, прежде чем оказаться на столе у каждого второго прототипировщика.