Все знают, что 3D-печать металлом — это «дорого и вообще, в целом, сложно». 

Однако лишь немногие знают, что этот процесс может быть кардинально удешевлён и без каких-либо проблем осуществляться даже на дому — практически на копеечном оборудовании!

Согласитесь, что иметь возможность печатать металлом с той же лёгкостью, с которой многие осуществляют печать на домашних 3D-принтерах — это стоит того! 

После своего появления методы 3D-печати металлами изменили само производство и дали такие возможности, которые были недоступны ещё совсем недавно. Благодаря этому многие производства, в том числе даже космические компании, теперь всё шире и шире используют такую печать, так как она позволяет избавиться от генерации большого количества отходов металлообработки, поскольку металл расходуется только на непосредственное создание детали, а кроме того, некоторые детали и вовсе невозможно изготовить другим путём...

Но всё же, несмотря на все свои преимущества, эта технология всё ещё остаётся прерогативой обеспеченных лабораторий и крупных производств, так что самодельщикам остаётся только «смотреть на всё это великолепие со стороны и облизываться». 

Несмотря на то что звучит смешно, по сути это грустно. На первый взгляд доступность вроде бы сохраняется: то и дело мелькают рекламные цифры вроде «печать одного кубического сантиметра за 70 руб., 90 руб. и т.д.», но при непосредственном контакте выясняется, что «минимальный заказ должен быть на 50 000 руб., без учёта оснастки» и т.д.

Но есть хорошая альтернатива (хотя и не без нюансов): электрохимическое аддитивное производство!

Технология

Что это такое: старинные принципы электролиза, где происходит осаждение ионов металла из раствора электролита на основе его солей, благодаря чему на целевой подложке формируется металлический слой, — поставлены на службу современности. Осуществляется всё то же самое, только с использованием ЧПУ-приводов.

Применение такого подхода позволяет осаждать металл, производя процесс при комнатной температуре у себя дома. Осаждаемый металл оказывается лишён температурных напряжений, а сам метод печати позволяет осуществлять процесс с высочайшим разрешением (вплоть до нанометров) и с гораздо меньшими энергозатратами, чем при классических методах печати металлом.

Некоторые исследователи заявляют даже, что этот метод позволяет получать изделия без необходимости последующей механической обработки, чем он выгодно отличается от классических методов лазерного или электронно-лучевого плавления металлических порошков, у которых поверхность получившейся детали является весьма шероховатой, и либо приходится мириться с этим (закладывая заранее в конструкцию толерантность к такому качеству поверхности), либо производить организацию некоей последующей механической обработки.

В настоящее время сложилось 3 методологии осуществления электрохимической аддитивной печати, где во всех трёх перечисленных ниже способах деталь подключается к минусовой полярности источника питания, а электрод или сопло — к плюсовой:

Локальное осаждение: небольшой электрод и сама деталь опускаются в электролит, и электрод начинает перемещаться мимо целевой детали на небольшом расстоянии (картинка ниже кликабельна). 

Благодаря высокой напряжённости электрического поля, которая возникает из-за близости электрода и детали, осаждение металла на детали происходит локально, максимально близко к кончику этого электрода. 

Для печати в рамках этого метода используется проволока сечением от 10 до 500 микрометров, где ключевое значение имеет не собственно сечение проволоки, а радиус закругления её кончика, другими словами — «насколько он заточен».

Заточка реализуется также с помощью электрохимического метода, то есть, гальваническим способом, только электрод для затачивания подвешивается на плюсовой контакт источника питания в электролитической ванне. 

В качестве электролитов для такой заточки выступают растворы едких щелочей или например, серной кислоты, где при пропускании электрического тока происходит растворение кончика электрода на конце с постепенным его затачиванием до очень высоких значений, что может быть проконтролировано под микроскопом. 

Для заточки используется источник питания, который может обеспечить напряжение до 10 В с силой тока в несколько сотен миллиампер. Сама заточка длится относительно недолго — минуты, после чего кончик острия электрода приобретает диаметр от десятков нанометров до микрометров. Процесс может быть ускорен предварительной механической заточкой.

Так как электрод для такой печати в основном изготавливается из инертных материалов, таких как вольфрам или платина, он мало подвержен износу в процессе печати, поэтому его хватает относительно надолго. 

С целью увеличения качества печати, боковые поверхности электрода закрываются изоляцией, например, герметизирующими смолами или расплавленным стеклом.

Ради интереса посмотрел на известном китайском сайте, сколько стоит платиновая проволока, и результаты меня прямо порадовали: 0,02х500 мм стоит 1200 руб приблизительно. 

Я так понимаю, что этой проволоки хватит на «достаточно долго», если не сказать сильнее ;-)

Этот способ позволяет получить достаточно высокое разрешение, от отдельных микрометров до десятков, где это разрешение зависит, как уже было сказано выше, от радиуса кривизны кончика электрода. 

Достижимая скорость осаждения находится в пределах до 10 мкм/с.

Приблизительные параметры питания: до 10В, до 0,01А.

Менисковый способ: деталь и печатающая головка находятся в воздушном пространстве и не заливаются электролитом полностью. Вместо этого головка представляет собой очень тонкое игольчатое сопло для контролируемой подачи жидкости.

Сопло изготавливается из стекла или кварца (в идеале, но делают и из металла, особенно в DIY-вариантах, например, из иглы от шприца), а электрод размещается внутри него (картинка ниже кликабельна).

Далее это сопло приближается на очень малое расстояние к детали (в несколько микрометров) и постоянно удерживается на этом расстоянии в процессе работы. 

Затем из сопла выдавливается миниатюрная капелька электролита, где величина выдавливания точно контролируется — это приводит к тому, что из иглообразного сопла повисает небольшая капелька, касающаяся поверхности детали. 

При этом, из-за того что сопло удерживается на очень малом расстоянии от детали, среди сил, воздействующих на каплю электролита, превалирует сила поверхностного натяжения над силой тяжести. Благодаря этому капля не стекает на поверхность, а только слегка смачивает её и соединяет сопло с поверхностью, как бы небольшим жидким мостиком.

Жидкость в капле постоянно обновляется с помощью циркуляции, которая обеспечивается перистальтическим или поршневым (годится даже обычный шприц с приводом от шагового двигателя) насосом. 

Такая система циркуляции позволяет реализовать постоянную смену электролита без создания избыточного давления, которое бы выдавило каплю на поверхность и жидкость потекла бы, залив поверхность детали.

Вся эта система в целом представляет собой исключительно точную систему 3D-печати металлом, позволяющую реализовывать субмикронное разрешение и печатать металлом даже МЭМС-структуры! 

Если кто хотел «поиграть в высокие технологии» то вот один из путей...

Кстати, о разрешении: этот способ является, с одной стороны, достаточно парадоксальным, так как сопло имеет относительно большое сечение — вплоть до 50 мкм — и изготавливается из стекла или кварца методом вытягивания с целью получить минимально возможное выходное отверстие. На практике оно обычно менее 1 мкм.

Тем не менее, несмотря на такой относительно большой по сечению выходной канал для электролита, этот метод позволяет достичь самого высокого разрешения печати среди перечисленных — менее чем 100 нм. Регулируя расстояние между кончиком сопла и поверхностью, можно добиться весьма малого пятна контакта капли электролита с поверхностью, и осаждение идёт только внутри этой капли.

Несмотря на высокое разрешение, сам принцип этого метода существенно ограничивает скорость движения сопла по поверхности: его необходимо перемещать с такой скоростью, чтобы обеспечить циркуляцию электролита, который должен успевать обновляться внутри этого «мостика» до поверхности, из-за чего типичная скорость осаждения не превышает сотых долей микрометров в секунду (скорость нарастания толщины покрытия).

Но, есть и плюсы: из-за очень малого пятна контакта требующийся для процесса ток довольно мал. 

Приблизительные параметры питания: до 5В, до 200 мкА.

Струйный способ: является подвидом предыдущего, но здесь он отличается тем, что из тонкого игольчатого сопла на поверхность для осаждения направляется струя электролита. Это позволяет с высокой скоростью обновлять электролит и печатать достаточно активно относительно большие структуры (картинка ниже кликабельна).

Сопло обычно изготавливается из нержавеющей стали диаметром до 500 мкм, и главным преимуществом этого метода является высокая скорость наращивания, так как постоянный поток электролита обеспечивает зону роста высокой концентрацией ионов в нём, что, в свою очередь, позволяет удерживать высокую плотность тока. 

Скорость роста покрытия может достигать десятков мкм/с с относительно высокой скоростью движения печатающий головки. 

Такие параметры предъявляют и соответствующие требования и к источнику тока, который уже должен поддерживать приблизительно такие параметры питания: до 20В, 5А.

Нетрудно догадаться, что можно создать универсальную установку, где в зависимости от активности струи из игольчатого сопла можно печатать либо с очень высоким разрешением, либо с относительно большой скоростью — и всё это на одной и той же установке!

Вопрос только в опциях настроек программного обеспечения, которое и будет управлять исполнительными механизмами...

Практические применения технологии

Уникальные возможности, которые можно получить с использованием этой технологии, привлекают многих, например, китайские учёные смогли разработать недорогое устройство на базе механики дешёвого FDM 3D-принтера, которое может печатать металлические детали размером в сотни микрометров, а также (и вот это уже очень интересно!) токопроводящие дорожки печатных плат. 

Кроме них, отметилась и американская компания Fabric8labs, разработавшая собственную версию технологии, на официальном сайте которой, в разделе Technology, можно найти фотографии поразительных примеров металлической 3D-печати, осуществлённой таким способом, со сверхвысоким разрешением. 

А небольшое презентационное видео от них можно найти здесь (ссылкой, потому что сайт vimeo не разрешает вставить сюда видео).

Кстати, ниже есть ещё одно очень любопытное видео, которое рекомендуется посмотреть интересующимся, где с 5:35 начинается объяснение этого процесса печати. Мало того, показывается простая установка, кстати, менискового типа, то есть с самым высоким доступным разрешением, на базе старого 3D-принтера, а в качестве печатающей головки используется обычный шприц с иглой, в который залит электролит.

Что интересно: авторы говорят, что такой способ даёт уникальную возможность, меняя шприцы с электролитом, печатать разными металлами один поверх другого! 

И даже мало того: если поменять полярность, то можно не наносить металл, а селективно удалять его в тех местах, где проходит головка! 

Если кто не понимает английский, то в известном браузере можно посмотреть с синхронным голосовым русским переводом:

Экспериментаторам, работающим с этим интересным направлением 3D-печати, приходится бороться и с проблемами, возникающими в процессе:

• металл быстрее нарастает на краях, чем в центре. С этим борются:

  • подачей тока в импульсном режиме;

  • использованием специальных алгоритмов движения головки (чтобы наращивать металл вокруг наиболее быстро выросших участков);

  • внесением в электролит специальных добавок, которые откладываются на наиболее острых участках, увеличивая их сопротивление и снижая скорость роста (в качестве такой добавки может использоваться полиэтиленгликоль).

• каналы мелкого сечения имеют тенденцию к засорению, особенно в электролитах с высокой концентрацией солей. С этим борются:

  • с помощью снабжения печатающей головки пьезоэлементом, который своей вибрацией счищает наросты;

  • контролем состава электролита, чтобы вероятность возникновения наростов была минимальна (контроль PH, насыщенности);

  • регулярной фильтрацией, очисткой и рециркуляцией электролита.

Но, несмотря на некоторые затруднения, процесс электрохимической аддитивной печати даёт возможность каждому попробовать свои силы в достаточно доступном процессе 3D-печати гальванического типа. Тем более что для многих, кто имеет дело с кодом, не составит особого труда построить и механику для этого устройства (в крайнем случае можно взять механику от старого ненужного 3D-принтера), так как ставки довольно велики: в результате появляется возможность печатать металлом при комнатной температуре, практически без остаточных напряжений, с малыми затратами энергии и денег.

Особый интерес вызывает и предрасположенность этой технологии к печати миниатюрных металлических структур сверхвысокого разрешения — что уже само по себе интересно, так как это абсолютно новые возможности, намного превосходящие широко распространённые фотополимерные 3D-принтеры. 

И тут, напоследок, будет уместно провести некоторые цифры, наглядно показывающие, насколько достигаемое в рамках перечисленных выше трёх технологий разрешение печати превосходит широко распространённые фотополимерные 3D-принтеры (технологии, рассмотренные выше, проранжированы сверху-вниз, по возрастанию разрешения). В качестве базы для сравнения взят условный фотополимерный принтер с диапазоном разрешений 20...50 мкм:

• струйный метод: на уровне фотополимерных принтеров или хуже (50...200 мкм);

• локальное осаждение (с электродом): превосходит вплоть до 4 раз (5...50 мкм);

• менисковый метод: превосходство, вплоть до 1000 раз (0,05...1 мкм).

МЭМС-системы, микроантенны, самодельный DLP-чип (кто знает, может и такие найдутся смельчаки?), микрофлюидные устройства, химические микрореакторы, микросхемы (прямая печать дорожек миниатюрного размера), метаповерхности (искусственное манипулирование световыми (и не только) волнами с помощью архитектуры поверхности) и прочее, прочее, прочее — такая технология открывает путь ко множеству направлений, о которых раньше было бы даже страшно мечтать…

Скажем, как вам возможность прямой печати дифракционной решётки, для разложения белого света на спектральные составляющие? А ведь технология это может: для уверенного разложения на спектр, достаточно расстояния между гребнями дифракционной решётки в 500…1000 нм (но лучше не менее 400 нм — для более чёткого разделения цветов), тогда как технология предоставляет возможность печати с расстоянием в 50 нм, — многократное превышение над требованиями!

Конечно, это возлагает и соответствующие требования на механическую систему позиционирования головки, но главное, что сам способ обработки принципиально допускает такую мелкую деталировку. 

Скажем, в самом простом, забавном варианте — оставить переливающийся логотип на своей электронной плате или микросхеме (также, миниатюрного размера, чтобы время печати не было слишком долгим). И множество других вариантов…

P.S. Ну если хочется всё же печатать «мощные, надёжные вещи, с большим количеством металла», имеет смысл приглядеться к ещё одной, достаточно простой в реализации технологии — Selective Powder Deposition (SPD), которая заключается в послойном выкладывании песка и порошкового металла. По сути, очень похоже на FDM-печать, только здесь вместо плавящегося прутка насыпание песка и металла.

Из плюсов — не нужны выжигаемые/выплавляемые модели из песчаной формы, благодаря чему нет усадки (как заявляет автор видео ниже, но я думаю, корректней будет сказать «почти», так как порошок металла при плавлении всё равно немножко усядет).

При желании, довольно легко можно реализовать. Правда, здесь уже потребуется печь для запекания. Но технология тоже очень интересная:

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»