Что такое 3D-принтер, принцип его работы и применение

История появления

История такой технологии прослеживается с середины 1980-х годов, но слабое развитие компьютерных технологий «заморозило» активное внедрение 3D-печати в быту и производстве.

3D-принтеры получили ощутимый старт только в 2005 году, с улучшением компьютерных возможностей. Затем публике был представлен первый 3D-принтер, печатающий в цвете. Впоследствии технология претерпела множество изменений, и было разработано современное программное обеспечение для управления процессом печати. В результате пользователи получили доступ к функциональному устройству, способному «печатать» чехлы для телефонов или новые 3D-принтеры.

Первый 3D-принтер

Технология LCD

До недавнего времени, примерно до 2017 года, 3d-принтеры для печати фотополимеров были дорогими. Однако изобретение печати на основе проницаемых ЖК-матриц в корне изменило эту ситуацию. По состоянию на середину 2019 года качественный фотополимерный 3d-принтер можно приобрести примерно за 30 000 рублей.

ЖК-матрица для 3d-принтера представляет собой экран, похожий на экран мобильного телефона. Сама по себе такая матрица не излучает свет. Он может только изменить степень пропускания света в различных областях. В результате получается изображение слоя печати. Источник излучения расположен за матрицей lcd. Таким образом, чтобы создать аналогичный 3D-принтер, необходимо лишь заменить лампу-излучатель на источник ультрафиолетового света. Напомним, что подавляющее большинство фотополимеров затвердевает под воздействием ультрафиолетового света.

Какой 3D-принтер лучше выбрать для бытового использования?

Забегая вперед, важно отметить, что хотя стоимость домашних 3D-принтеров остается относительно высокой, у нас есть все шансы увидеть снижение стоимости этой технологии в будущем. Вспомните, когда только появились мобильные телефоны, они тоже были доступны только очень богатым людям.

Цель использования домашнего 3D-принтера может быть абсолютно любой — от простого баловства и знакомства с новой технологией до печати домашних безделушек и прототипов моделей для бизнеса. В любом случае, при выборе обращайте внимание на следующие ключевые характеристики устройства:

• разрешение печати (точность печати) — это минимально возможная высота слоя, которую может напечатать принтер. Она выражается в микрометрах (одна тысячная часть миллиметра). Чем меньше высота слоя, тем менее заметен переход между ними и тем более гладкой получается поверхность напечатанного объекта. С другой стороны, чем меньше слой, тем больше времени требуется для печати и тем больше нагрузка на все компоненты принтера. Разрешение зависит от технологии (SLA обеспечивает более точную печать, чем FDM), точности печатающих головок, настроек программного обеспечения и выбранного материала для печати;

Образцы с различной толщиной слоя

• Скорость печати напрямую связана с точностью: чем выше точность, тем медленнее растет модель.
• Область печати — это размер объекта, который может быть напечатан принтером. Другими словами, это область возможной досягаемости печатающей головки по горизонтальным осям X и Y и вертикальной оси Z. Площадь печати обычно выражается тремя числами — высотой, длиной и шириной условного параллелограмма (например, 20*30*30 мм). В дельта-принтерах область печати имеет форму цилиндра, поэтому указаны его высота и диаметр;
• тип пластика, используемого для печати. В домашних условиях используются именно ламинаты, они могут быть ABS и PLA, некоторые модели могут печатать обоими типами материалов. Возможность печати тем или иным типом пластика объясняется наличием или отсутствием нагрева платформы. Если вы еще не решили, что будете печатать, лучше выбрать модель, поддерживающую максимальное количество материалов;
• страна производства. Европейские страны и США производят высококачественные, но дорогие устройства, ввозимые в небольших количествах, обслуживание затруднено. Китайские устройства стоят недорого, качество часто оставляет желать лучшего, но для поблажек такие принтеры вполне подойдут. Есть также принтеры российского производства: хотя их качество неплохое, радует, что их можно обслуживать.

Как это работает

Общий принцип работы 3D-принтера в теории прост и понятен. Объект или его часть создается в программе 3D-моделирования (большие модели разбиваются на несколько частей). Затем файл отправляется в специализированную программу для обработки (создания G-кода), после чего технология вступает в действие. G-код делит цифровую модель на сотни горизонтальных полос, определяя путь для печатной каретки. Расплавленный материал наносится на подложку, слой за слоем, создавая осязаемый объект.

Схематическое изображение 3D-принтера

Всего существует семь основных технологий, используемых в 3D-печати, но большинство из них нашли только промышленное применение. Появились относительно компактные и недорогие устройства, ориентированные на любителей «пластиковых принтеров» и малые предприятия.

• Технология Fused Deposition Modelling (иначе известная как FDM-принтеры) нашла самое широкое применение в 3D-моделировании и кулинарии. Материал нагревается и подается на платформу через сопло печатающей головки. Объект «растет» на плоскости, и его размеры ограничены параметрами платформы.
  
• Технология Polyjet была разработана в 2000 году и в настоящее время принадлежит компании Stratasys. Трехмерные объекты создаются путем полимеризации фотополимера под воздействием ультрафиолетового света. Поскольку фотополимер — дорогой и скоропортящийся пластик, такие принтеры редко используются в частных домах, но благодаря точному моделированию деталей они находят применение в медицине и промышленности (для создания прототипов).
  

О том, как работают современные 3D-принтеры, «печатающие из пластика», вы можете узнать из тематических видеороликов, подобных этому. Они также часто демонстрируют, как машина работает с различными материалами для производства предмета.

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Самый доступный и, следовательно, самый распространенный метод 3D-печати, при котором готовый объект создается из жидких пластмасс или композитов, которые проходят через экструдер с печатающей головкой и отверждаются слой за слоем под воздействием лазера. Готовый слой перемещается вниз, печатается новый слой, и так далее, пока не будет готова вся деталь. FDM-принтеры — один из самых простых способов 3D-печати, и вы даже можете самостоятельно собирать подобные устройства. Ну, или купить готовые решения, которых на рынке очень много.

Стереолитография (SL или SLA)

Принцип этого вида 3D-печати похож на предыдущий, но в нем исходным материалом является жидкая смола (акриловая, эпоксидная, виниловая) или пластик. Лазерный луч «прожигает» исходный материал слой за слоем, создавая готовый объект. Затем его промывают от остатков смолы или пластика и подвергают окончательному отверждению под ультрафиолетовым светом. Стереолитография позволяет печатать объекты с тонкой детализацией, а после всех процедур готовая деталь получается прочной и химически стойкой, но другой стороной медали является очень высокая стоимость таких 3D-принтеров.

Cелективное лазерное спекание (SLS)

Другой метод послойной печати объектов, при котором лазер послойно измельчает порошок — металлический, пластиковый или керамический — для создания готового объекта. Существует метод плавления (SLM), который характеризуется более мощными лазерами и возможностью работать с чистым металлическим порошком без каких-либо добавок — это позволяет создавать монолитные детали без пористости, характерной для обычного спекания.

Как правило, толщина волокон и слоев составляет доли миллиметра: типичный диаметр сопла составляет от 0,3 до 0,8 мм, а толщина слоя — от 50 до 300 микрометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 80 до 100 микрон. Конечно, печать тонким филаментом занимает довольно много времени. На самом деле, типичный производственный цикл легко измеряется часами или даже более чем сутками: здесь все зависит от выбранного диаметра сопла, толщины отдельных слоев и размеров самого изделия. Чем больше толщина нити и слоев, тем меньше времени потребуется для печати, но качество поверхности будет ниже.

Особенности печати изделий на принтере

Процесс создания трехмерных физических объектов с помощью оборудования для 3D-печати состоит из нескольких этапов:

1. Разработка электронной модели. Вы можете использовать готовую модель, загруженную из общедоступных источников (CG Trader, Thingiverse и т.д.) или загрузить модель, созданную с помощью 3D-сканера. В качестве альтернативы эскиз может быть разработан с помощью специального программного обеспечения (Blender, AutoCAD, AutoDesk, Fusion360 и т.д.). Затем готовая цифровая модель сохраняется в одном из широко используемых форматов (.3DS, .FBX, .OBJ, .STL и т.д.) и экспортируется на компьютер.
2. Подготовка файла к печати. Для этого используется специальное программное обеспечение для резки (например, Cura, AstroPrint, Simplify3D и т.д.). Предварительно настроенное программное обеспечение «нарезает» модель на тонкие слои и устанавливает координаты движения экструдера на каждом слое. Готовый файл данных объекта экспортируется на компьютер в формате .gcode и загружается в принтер.
3. Подготовка печатающего устройства. Проверяется эффективность отдельных компонентов, калибруются компоненты, нагревается сопло, подготавливается расходный материал (собирается нить или заливается фотополимерная смола) и т.д.
4. Печать. Нужный файл выбирается на панели управления и отправляется на печать.
5. Постобработка. Готовая модель может содержать неровности или остатки опорных элементов, которые необходимо удалить с помощью наждачной бумаги, наждака, канцелярского ножа или других инструментов. Если для печати использовались отверждаемые фотополимеры, последующая обработка включает промывку модели в спирте и дополнительное облучение светом в УФ-камере до полного отверждения.

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на их способности линейно перемещаться в трех измерениях.

Эти устройства оснащены прецизионными шаговыми двигателями и контроллером, который отвечает за последовательность движения этих двигателей.

Автоматизированная система перемещает печатающую головку, выдавливая материал (например, расплавленный пластик) в нужный момент.

Слой за слоем создается персонаж, который был изначально запрограммирован.

Он основан на принципе «декартова робота» (устройство, способное двигаться по декартовым координатам, более известным любому студенту как декартовы координаты — X, Y, Z).

Пример схемы печатающей головки 3d-принтера

• Экструдер. Именно эта часть чаще всего подвергается усовершенствованию в новых моделях и считается самой сложной и деликатной частью механизма. Он состоит из термоголовки и исполнительного механизма, выдавливающего нить пластика. Он работает следующим образом: катушка нити вставляется в принтер, привод разматывает ее и выталкивает, доставляя в термоголовку (также известную как камера). Головка обычно представляет собой нагретый алюминиевый элемент, который расплавляет нить накала. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие в печатающей головке.
• Линейный двигатель. От его разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой координатной оси используется отдельный гладкий стержень, который взаимодействует с подшипниками. Подшипники бывают пластмассовые, стальные, бронзовые и т.д. Бронзовые подшипники сложнее всего калибровать при сборке, но они менее шумные.
• Фиксаторы. Для линейных приводов требуются фиксаторы, предотвращающие их выход за пределы рабочей зоны. Они не влияют на функциональность операции, но их наличие делает печать гораздо более точной и аккуратной. Имеются модели с оптическими или механическими стопорами.
• Платформа. Поверхность размером 100-200 квадратных миллиметров, на которой будет создана готовая фигура. Производители обычно делают платформу с подогревом — это необходимо для того, чтобы избежать трещин или разрывов на модели, обеспечить адгезию между различными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Платформа обычно изготавливается из алюминия или стекла — веществ с хорошей теплопроводностью.

3D принтер: что это такое и как работает чертеж 3Д

Объемная печать, в зависимости от области применения, может использовать различные принципы работы и полимерные композиции, но основной технологией остается построение слоя за слоем на объекте.

Этапы проектирования:

• Создайте макет на компьютере в программе автоматизированного проектирования, поддерживающей объемное моделирование. Программное обеспечение позволяет производить расчеты на всех уровнях детализации, встраивать слои, а также проводить окончательное тестирование продукта и просматривать его со всех сторон в режиме визуализации. Платформы от ZWSOFT предлагают такие возможности. Программное обеспечение ZW3D — это универсальная CAD/CAM-система с полным набором функций для работы с 3D-моделями. Существует три пакета с разным количеством инструментов: Lite, Standard и Professional. Все они прекрасно работают с принтером благодаря экспорту чертежей в формате STL.

Итак, что же представляет из себя печать на 3d принтере?

В двух словах, это создание реального объекта из сгенерированной компьютером 3D-модели. Цифровая 3D-модель сохраняется в формате файла STL, а затем 3D-принтер, на котором распечатан файл, создает реальный продукт. Сам процесс печати представляет собой серию повторяющихся циклов, включающих создание 3D-моделей, нанесение слоя расходных материалов на рабочий стол принтера (лифт), перемещение рабочего стола вниз до готового слоя и удаление отходов с поверхности стола. Циклы повторяются один за другим: первый слой материала покрывается следующим, лифт снова опускается и так далее, пока готовый продукт не окажется на рабочем столе.

Разновидности технологий 3Д принтеров

В настоящее время конкурируют три типа машин:

• FDM (fused deposition modeling);
• LOM (производство ламинированных объектов);
• SLA и STL (стереолитография).

Существуют также такие варианты, как:

• Полиджет;
• ЛИНЗЫ;
• LS (лазерное спекание);
• 3DP (трехмерная печать).

Давайте рассмотрим некоторые из них подробнее.

Стереолитографические установки – что это такое для 3D печати

SLA или просто SL — это продвинутая прогениторная система. У его истоков стоял Чак Халл, но сейчас многие компании производят машины, основанные на принципе стереолитографии. В нем используются те же материалы — жидкий фотополимер, выжигаемый в пластике, и лазер. Луч фиксирует определенные точки в емкости с жидкостью, постепенно поднимаясь от дна к вершине слой за слоем. Оставшийся раствор стекает, оставляя предмет для шлифовки.

Этот метод очень эффективен с точки зрения точности. Он позволяет быстро получить результаты с точностью всего 10 микрон. Однако его редко используют в домашних условиях, поскольку при неправильном обращении с едким веществом существует риск ожогов и токсического отравления.

Лазерное спекание – LS (laser sintering)

Метод похож на предыдущий, но был усовершенствован за счет использования не жидкого полимера, а свободно текущей разновидности. Преимущества инновации:

• В строительном растворе нередки случаи, когда объект ломается в процессе строительства, потому что ничто не поддерживает еще хрупкую, но уже тяжелую конструкцию. С порошковыми материалами все наоборот — деталь не может сломаться, потому что она поддерживается твердым веществом.
• Помимо полимера, могут использоваться измельченные частицы бронзы, стали, нейлона и титана.

Недостатки:

• Температура плавления очень высока, поэтому предмету потребуется много времени для остывания.
• Поверхность менее монолитна, в ней больше воздуха.
• Некоторые смеси опасно хранить вне азотной камеры.

Что такое 3Д печать методом послойного наплавления термопласта

Технология LOM заключается в наложении друг на друга формованных слоев бумаги, пластика или алюминия и последующем их соединении. Точные контуры рассчитываются в специализированных программах CAD, работающих с 3D-моделями. Функция структурирования простых и сложных объектов в программе Form-Z jr от ZVSOFT позволяет создавать органические формы путем наброска простой сетки и последующего детального сглаживания линий, уточнения деталей вручную или автоматически.

Благодаря использованию специализированных платформ моделирование LOM становится простым и удобным.

Технология FDM также хорошо подходит для термопластов. Его конструкция предусматривает подачу материала (пластиковой нити) через экструдер — печатающую головку механизма. Направленный слой запекается через специальную насадку. Таким образом, объект создается слой за слоем снизу вверх.

Управление процессом печати

Ряд настроек обычно должен быть выполнен пользователем непосредственно перед началом печати.

1. Устройство подключается к компьютеру через USB-кабель.
2. Движения сопла и платформы откалиброваны.
3. Регулируйте и контролируйте нагрев платформы и сопла.
4. Контролируйте соотношение температур.
5. Управление технологическим процессом принтера (экструдера) — регулировка скорости подачи, замена пластиковых валиков.

Печатью можно управлять с компьютера. Чтобы создать объект от идеи до результата, пользователю необходимо специальное программное обеспечение для 3D-моделирования и управления станками.

Современные технологии пока не позволяют создать принтер, в котором все операции выполняются нажатием нескольких клавиш, поэтому необходимо изучить некоторые специальные программы и основы моделирования.

Перед печатью оператор калибрует принтер, устанавливая его относительно столешницы. Базовая встроенная программа принтера представляет собой ряд настроек по умолчанию, в то время как пользователь вносит более точные настройки в зависимости от используемого материала. Например, для создания объемных деталей на основе ABS или PLA указаны разные температуры плавления. Во время процесса печати оператор контролирует работу с помощью программного обеспечения. Весь процесс создания модели может занять от нескольких часов до одного дня, и здесь ключевым фактором является точность исполнения: точные объекты с детальными следами требуют больше времени для создания, чем более толстые.

Где можно применить 3D-принтер

Спектр применения 3D-принтеров довольно широк — от любительских поделок до бизнеса. Предприниматели, наряду со студентами архитектурных факультетов, первыми осознали огромный потенциал «пластиковой печати».

1. Проектирование и создание 3D-моделей различных конструкций.
2. Производство пластмассовых деталей для машин: крышки, шестерни, ручки. Отдельной сферой деятельности стало производство автозапчастей для иностранных производителей, что вполне естественно при учете затрат.
   Автомобильные диски
3. Создание уникальных и эксклюзивных сувениров, аксессуаров или копий художественных объектов. Гипсовая 30-сантиметровая Фемида из магазина обойдется дороже, не считая стоимости самого принтера.
   Копия скульптуры Микеланджело
4. 3D сканирование и создание 3D дубликатов любых объектов.
5. Передовые разработки — сюда можно отнести разработку любых новых технологий, оборудования, мебели и т.д.
6. Создание комплексных инсталляций для выставок или других мероприятий.

Кроме того, объемное моделирование используется в ювелирной промышленности и во всех областях дизайна и проектирования.

Раньше печатали на пластике, но сегодня разнообразие материалов впечатляет. Производители выпускают различные подложки, например, имитирующие натуральное дерево. Кроме того, в качестве материала для печати могут быть выбраны не только полимеры, но и нейлон. Эта идея была очень быстро подхвачена дизайнерами, и были созданы целые коллекции одежды.

Коллекционеры компьютерных игр в полной мере оценят потенциал «пластиковой печати», ведь теперь можно воспроизвести любой объект: модели самолетов, известных персонажей, предметы искусства. Редкие коллекции могут стоить довольно дорого, как и очень хороший принтер для дома, и здесь выбор очевиден.

Типы 3D-принтеров и особенности печати каждого

Наиболее часто используемой технологией сегодня является FDM-печать, а также SLA-печать. Что скрывается за этими непонятными аббревиатурами и какие еще разработки ведутся в этой области?

Метод FDM-печати

Технология FDM (Fused Deposition Modelling) — это технология послойного осаждения нити. Сегодня этот метод 3D-печати считается самым распространенным, и в то же время это один из самых старых методов. Принцип заключается в том, что пластиковая нить слой за слоем внедряется в контур модели.

Термопластики используются для печати и поставляются в виде бобин или стержней. Наиболее часто печатаемые ламинаты PLA и ABS включают нейлон, полиамид, поликарбонат, PET (он же полиэтилентерефталат, из которого делают пластиковые бутылки) и некоторые другие вещества.

Принцип заключается в следующем:

• Волокно материала помещается в экструдер, где оно расплавляется нагревательным элементом и затем выдавливается через сопло на рабочую поверхность;
• Экструдер движется по траектории, заданной программным обеспечением, и создает объект слой за слоем;
• если необходимо напечатать сложный объект, можно использовать два типа материала: один для модели, другой для создания опор (обычно растворимых или просто очень легко отделяемых от объекта). Опоры необходимо печатать, если объект имеет висящие в воздухе элементы, которые невозможно создать без опорных элементов — принтеру просто не на чем будет печатать. Это показано на приведенных ниже диаграммах;
• После формирования первого слоя платформа опускается до толщины одного слоя, и экструдер экструдирует новую партию материала, повторяя процесс несколько раз;
• после завершения печати остается отсоединить вспомогательные компоненты.

Модель

Модель и вспомогательные элементы

Технология FDM позволяет использовать термопласты производственного класса, благодаря чему печатные объекты приобретают превосходные механические, химические и термические свойства. Технология проста, чиста и подходит для использования в офисе или дома.

3D-ручки работают по тому же принципу. На самом деле это миниатюрные принтеры. Эти ручки предназначены для рисования трехмерных рисунков. Пользователь может мгновенно выдавливать из него застывший пластик, придавая ему любую форму и получая забавные изделия. Устройство предназначено скорее для баловства, но идея интересная, и дизайнеры смогут сделать много интересных предметов домашнего декора.

Метод SLA-печати, или стереолитография

В методе SLA (лазерная стереолитография) используются жидкие фотополимерные смолы, которые застывают под воздействием лазера или аналогичного источника энергии. Метод позволяет получать объекты с очень точной геометрией, поскольку толщина слоя может достигать рекордных 15 микрон, поэтому он уже широко используется в стоматологии для производства имплантатов и в ювелирном деле для создания полуфабрикатов с большим количеством замысловатых деталей.

Принцип работы 3D-принтеров, использующих лазерную стереолитографию, можно кратко описать следующим образом

• рабочая платформа погружается в ванну с жидким фотополимером на толщину одного слоя (15-150 мкм);
• действие лазера на стены будущего объекта. Лазерный луч буквально прорисовывает форму объекта на фотополимере, которая, в свою очередь, определяется программным обеспечением. Под воздействием лазерного излучения материал полимеризуется в местах контакта с лучом и затвердевает;
• Платформа погружается немного глубже в ванну с жидким фотополимером, причем глубина погружения соответствует размеру слоя. Лазер снова нацеливается на участки материала, которые должны стать частями напечатанного объекта;
• процесс повторяется слой за слоем, пока не будет напечатан смоделированный объект;
• эта технология также требует печати опорных элементов. Они изготовлены из того же фотополимера;
• После печати объект погружается в ванну со специальными растворами для удаления излишков материала и очистки модели;
• Финишная обработка: облучение ультрафиолетовым светом для окончательного отверждения фотополимера.

Технология является прогрессивной, но требует приобретения дорогостоящих расходных материалов.

Другие типы печати

Менее распространенными, но не менее интересными и перспективными являются следующие методы 3D-печати:

• SLS — технология селективного лазерного спекания. Она предполагает наличие тонкого слоя легкоплавкого порошкового материала (пластика, керамики, стекла или металла), который спекается под точечным воздействием лазерного луча на рабочую поверхность. После формирования первого слоя рабочая платформа опускается, и формируется еще один слой. Эта технология не требует опорных конструкций, но является очень дорогой, требует дополнительной термической обработки и не подходит для бытового использования;
• EBM — технология электронно-лучевого синтеза. Этот метод несколько похож на предыдущий, но здесь слои объекта формируются путем плавления металлического порошка в вакууме с помощью электронного пучка. Послепечатная термообработка не требуется;
• SLM — технология селективного лазерного плавления, похожая на SLS, но использующая только металлические порошки и более мощные лазеры, послепечатная термообработка не требуется;
• LOM — технология печати методом ламинирования. Под давлением или нагревом тонкий слой печатного материала (фольга, ламинированная бумага) склеивается, и с помощью лазера или режущих элементов вырезаются необходимые контуры объекта. Кроме того, можно вырезать части объекта, хотя это не всегда просто. Эта технология исключает необходимость печати опорных конструкций;
• 3DP, или 3D-печать, — это технология, аналогичная SLS, но здесь не используется плавление — объект создается из порошкообразного материала путем нанесения клея с помощью струйной печати. Поскольку в клей можно добавлять красители, это открывает возможность цветной 3D-печати.

Области применения 3D печати

Существует множество областей, в которых может быть использована эта новая технология, наиболее популярными из них являются.

• Медицина. Уже некоторое время ведутся работы по созданию искусственных конечностей, которые могут быть изготовлены по индивидуальным спецификациям. Эти искусственные части тела выглядят и ощущаются практически идентично натуральным.
• Наркотики. В качестве материала взята биологически активная добавка. Это гарантирует, что необходимая часть будет точно дополнена.
• Машины и оборудование. Запасные части и сложные компоненты теперь легче напечатать, чем собрать во многих мастерских.
• Компоненты одежды и обуви. Ранее было налажено производство крепежа и декоративных деталей, но с появлением тончайшего полимера стали выпускать целые модели.
• Арт-объекты.
• Биопринтинг — это новое направление в медицине. Работа ведется с использованием жизнеподобных тканей.

Зачем нужен 3D-чертеж и как он работает

Печать 3D-объектов осуществляется с помощью 3D-чертежа, который создается в специальной программе, а затем сохраняется в формате STL или другом распространенном формате. Файл чертежа загружается в слайсер и обрабатывается (нарезается на слои заданной толщины, заданной плотности и других физических свойств). В результате получается файл инструкций для печатающей головки, который отправляется на принтер. 3D-чертежи могут быть выполнены самостоятельно в программном обеспечении для проектирования.

Как создаются модели для печати?

Сначала создается 3D-модель объекта с помощью программы CAD и сохраняется в специальном формате STL. Затем STL-файл загружается в программное обеспечение для резки, такое как Cura или Slic3r. Программное обеспечение для резки позволяет определить физические свойства модели, например, плотность заполнения или использование опорных конструкций.

Программное обеспечение преобразует 3D-модель в G-код и дает инструкции экструдеру для формирования отдельных слоев модели. Код загружается в принтер, устройство запускается и начинается печать.

Технология НРМ (FDM) HPM

Это позволяет создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, технических и высокопроизводительных термопластов. Это единственная технология, в которой используются термопласты промышленного класса, обеспечивающие непревзойденную механическую, термическую и химическую стойкость деталей. Печать HPM обеспечивает преимущества чистоты, простоты в обращении и пригодности для офисного применения. Термопластичные детали устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим веществам, влажной или сухой среде. Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами. 3D-принтеры на основе HPM создают детали слой за слоем, нагревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его по сгенерированным компьютером траекториям. В процессе HPM используются два различных материала, один из которых формирует готовую деталь, а вспомогательный материал используется для поддержки. Пленки обоих материалов подаются из камер 3D-принтера на печатающую головку, которая перемещается в соответствии с изменениями координат X и Y и сплавляет материал, формируя текущий слой, пока опора не переместится вниз и не начнется следующий слой. После того, как 3D-принтер закончил создание детали, остается только механически отделить вспомогательный материал или растворить его с помощью моющего средства, после чего изделие готово к использованию. Интересно, что в настоящее время популярны не только автоматизированные настольные принтеры HPM, но и приспособления для ручной печати. Более того, правильнее было бы назвать их не печатающими устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов.

Ручки изготавливаются по той же схеме, что и принтеры, с использованием технологии послойного напыления. Пластиковая нить вставляется в ручку, где она расплавляется до нужной консистенции и затем выдавливается через миниатюрное сопло! При должном умении можно изготовить такие оригинальные декоративные фигурки:

И, конечно, как и технологии, сами принтеры бывают разными. Если у вас есть принтер SLA, технология SLS не может быть использована, поскольку каждый принтер предназначен только для определенной технологии печати.

Существуют различные технологии 3D-печати. Разница между ними заключается в способе укладки продукта. Давайте рассмотрим основные из них. Наиболее популярными являются SLS (селективное лазерное сращивание), HPM (наслоение сплавленных материалов) и SLA (стереолитография). Стереолитография или SLA является наиболее часто используемой технологией из-за высокой скорости создания объектов.

Интересные варианты бытовых 3D-принтеров

MakerBot Replicator 2

Высококачественный принтер американского производства, печатает по технологии FDM, минимальная толщина слоя — 100 микрон (0,1 мм). Область печати — 285*153*155 мм, для печати используются PLA и ABS пластики. Максимальная скорость печати: 40 мм/с, или 24 см3/ч. Корпус выполнен из стали, имеется ЖК-экран, а вес составляет 11,5 кг. Эта модель, хотя и выпущена в 2013 году, до сих пор активно используется для домашней печати. Стоимость составляет 3 100 долларов США.

PrintBox3D One

Принтер отечественного производства, печатает по технологии FDM, минимальная толщина слоя — 50 микрон, размер рабочей платформы — 185*160*150 мм. Устройство печатает пластиками ABS и PLA и оснащено подогреваемой платформой. При цене около 1700 долларов США он предназначен для использования в образовании и дизайне.

Wanhao Duplicator i3 v2

Бюджетный вариант для тех, кто хочет изучить технологию и попробовать свои силы. Стоит около $500, печатает на различных пластиках до 100 микрон, область печати 200*200*180 мм. Качество сборки отличное.

PICASO 3D Designer

Печатает по технологии FDM, как и все домашние 3D-принтеры в настоящее время, использует ABS и PLA пластики, включая нейлон. Точность печати — 50 микрон, рабочая платформа 200*200*210 мм, максимальная скорость — 30 см3/ч. Устройство оснащено подогреваемой платформой стоимостью 1700 долларов США.

3D принтер Hercules

Неплохое устройство от российской компании IMPRINTA, оно печатает различными видами пластика, точность печати — 50 микрон. Платформа нагревается, максимальная температура составляет 1200C. Скорость печати — 40 см3/ч. Цена — $1150.

Критика и проблемы

❌ Медленный и негарантированный: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромной проблемой любительских принтеров являются дефекты. Например, деталь может отслоиться во время печати, и тогда начнется настоящий ад. Или двигатели ослабевают, и сопло начинает пролетать мимо нужных мест.

❌ Низкая производительность: чтобы напечатать деталь размером 10 × 10 см, необходим принтер размером не менее 50 × 50 см, что обойдется в несколько сотен долларов.

❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать до сих пор ограничивалась пластмассами и смолами. Существуют некоторые технологии печати из металлических порошков, но если вы хотите получить деталь из стали — вам не нужен 3D-принтер, достаточно обычного токарного станка. Однако не каждая деталь может быть изготовлена на станке.

❌ Не всегда понятно, почему. В промышленности 3D-принтеры используются для создания прототипов, но в массовом производстве эти технологии не применяются. Для бытового применения тоже не все ясно: 3D-принтеры печатают небольшие пластиковые вещи для хоббистских проектов….. и все. Существует очень мало случаев, когда обычный человек может захотеть напечатать что-то, имеющее бытовое применение у себя дома.

Как создают изделия

Аддитивный процесс 3D-печати отвечает за создание трехмерного продукта — он предполагает наложение слоев материала снизу вверх, пока не будет создана копия формы с рисунка. Так печатаются изделия из пластмассы. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Помимо пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлами и металлическими порошками.

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — один слой материала накладывается на другой, а печатающая головка движется до тех пор, пока на рабочей поверхности не появится готовый объект. Принтер сам убирает отходы печати с рабочего стола.

Как работает 3D принтер? Просто о сложном

В двух словах, 3D-принтер — это устройство, используемое для создания трехмерных объектов путем печати слой за слоем. Ассортимент материалов, используемых для печати, постоянно расширяется, и можно смело предположить, что в будущем он будет включать большинство известных веществ. На данный момент самыми популярными материалами для печати остаются термопласты и фотополимерные смолы.

Общий принцип работы 3D-принтера можно описать следующим образом

1. создание модели желаемого объекта в специальной программе 3D-моделирования;
2. обработка созданной модели программным обеспечением («генератор G-кода»), в ходе которой она разделяется на множество горизонтальных слоев и преобразуется в цифровой код, который становится командой для принтера о том, как и куда наносить материал.
3. Печать, которая представляет собой формирование объекта путем нанесения материала слой за слоем. В зависимости от типа принтера, особенности печати могут отличаться, но общий принцип таков — слой за слоем. Печатающая головка перемещается только в горизонтальной плоскости (оси X и Y), подает материал и наносит его в соответствии с программой. Когда один слой полностью нанесен, рабочая платформа перемещается вниз (ось Z) ровно на толщину одного слоя, и печатающая головка наносит следующий слой, и так далее до полного формирования объекта.

Функции печати зависят от технологии, которую использует принтер, поэтому на данном этапе имеет смысл разобраться с наиболее распространенными из них.

Читайте также: Ошибка 0x00000002 при подключении сетевого принтера