Как называют устройство для печати объемных тел

3D-принтер: что это и как он работает?

В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.

В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.

Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.

Как появился трехмерный принтер

Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.

Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.

Первый 3D-принтинг. Изготовление физических предметов с помощью цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры еще не сильно отличались от калькуляторов, а до выхода Windows-95 было десять лет, он изобрел стереолитографию — предшественницу 3D-печати. Работала технология так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал застывал и превращался в пластиковое изделие. Форму печатали по цифровым объектам, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими издержками.

Первый 3D-принтер. Источник: habr

Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.

Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.

Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.

Печать тестового образца почки. Источник: BBC

В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».

Как устроен 3D-принтер

В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.

Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:

• экструдер, или печатающая головка — разогревает поверхность, с помощью системы захвата отмеряет точное количество материала и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей;
• рабочий стол (его еще называют рабочей платформой или поверхностью для печати) — на нем принтер формирует детали и выращивает изделия;
• линейный и шаговый двигатели — приводят в движение детали, отвечают за точность и скорость печати;
• фиксаторы — датчики, которые определяют координаты печати и ограничивают подвижные детали. Нужны, чтобы принтер не выходил за пределы рабочего стола, и делают печать более аккуратной;
• рама — соединяет все элементы принтера.

Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters

Все это управляется компьютером.

Как создают изделия

За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.

Как работает 3D-чертеж

Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.

3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.

Как запрограммировать 3D-принтер

Краткая инструкция по настройке принтера:

1. Выбрать 3D-модель. Изделие можно нарисовать самому в специальном CAD-редакторе или найти готовый чертеж — в интернете полно моделей разной сложности.
2. Подготовить 3D-модель к печати. Это делают методом слайсинга (slice — часть). К примеру, чтобы распечатать игрушку, ее модель нужно с помощью программ-слайсеров «разбить» на слои и передать их на принтер. Проще говоря, слайсер показывает принтеру, как печатать предмет: по какому контуру двигаться печатной головке, с какой скоростью, какую толщину слоев делать.
3. Передать модель принтеру. Из слайсера 3D-чертеж сохраняется в файл под названием G-code. Компьютер загружает файл в принтер и запускает 3д-печать.
4. Наблюдать за печатью.

Можно ли применять напечатанные изделия

Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.

Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today

Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:

• механическая обработка — шлифовка вручную, срезание заусенцев;
• химическая — погружение в ацетон, пескоструйная обработка, нанесение спецраствора кисточкой.

Что можно напечатать на 3D-принтере

В интернете полно подборок с инструкциями для печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких запчастей до скульптур. На «Хабре» уже три года назад постили список «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D написали о более масштабных проектах — печати автомобилей, оружия, солнечных батарей и протезов.

Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.

Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.

Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.

Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse

Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:

— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;

— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;

Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse

— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.

Технологии 3D-печати

Кратко об основных методах 3D-принтинга.

Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.

Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.

Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.

Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.

Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.

Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.

На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today

Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.

Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.

Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.

Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.

Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.

Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.

Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru

Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.

Где применяют 3D-печать

В основном в профессиональных сферах.

Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.

Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.

Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.

Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.

Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.

Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.

Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.

Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах

Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.

Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».

А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.

Все о 3D печати. Как работает 3Д принтер? Какой 3D принтер выбрать?

О существовании 3D печати слышал, наверняка, каждый, а в новостях то и дело проскакивают факты о новых возможностях этой технологии. Не так давно трехмерная печать использовалась только в производственных условиях и немногими энтузиастами, сегодня же можно запросто купить 3D принтер для использования в быту. С помощью таких устройств печатают самые разные вещи: от декоративных безделушек для дома до протезов, оружия и даже зданий. Перспективы трехмерной печати настолько фантастические, что мало кто сегодня может в полной мере их себе представить. А пока наблюдаем за тем, как будущее наступает, изучаем принципы работы 3D принтера, его возможности и преимущества, а также разбираемся, какой 3D принтер выбрать для использования в быту.

Немного из истории 3D принтеров

Несмотря на то, что технология трехмерной печати находится у всех на слуху только последние несколько лет, ее появление стоит искать еще в прошлом веке. Пионером в данной области стала компания Charles Hull, которая в 1984 году разработала технологию трехмерной печати, а чуть позже запатентовала технику стереолитографии, которая сегодня используется повсеместно. Тогда же компания разработала и создала первый промышленный трехмерный принтер, который фактически стал началом новой эпохи.

90-е годы стали временем появления новых разработок в сфере трехмерной печати, благодаря которым 3D принтеры нашли применение в производственных условиях и стали использоваться для прототипирования. Пик развития технологии приходится на XXI век, и мы сами становимся очевидцами того, как семимильными шагами трехмерная печать покоряет новые вершины. Сегодня печать может осуществляться разными материалами, причем не только пластиками и металлом, но и тканью, бумагой, керамикой, пищевыми продуктами и даже живыми клетками.

В 2005 году появилась возможность печатать в цвете, а в 2006 году был создан принтер, который может распечатать около половины всех собственных комплектующих. В 2014 году появились первые принтеры с областью печати, практически неограниченной в размере. С помощью этого устройства уже попытались создать полноценный дом, используя в качестве основного материала бетон. На возведение такого сооружения было потрачено не более суток. Уже в 2016 году было представлено первое здание, построенное с помощью трехмерной печати в Дубае. В феврале 2017 года Россия также представила дом, целиком напечатанный на стройплощадке. В этом году также был разработан принтер с шестью осями, с помощью которого сложные элементы будет печатать намного проще, без необходимости использовать поддерживающие конструкции. На данный момент вовсю ведутся разработки принтеров, которые смогут печатать органы человека, протезы, имплантаты, корпусы автомобилей и даже еду.

Как работает 3D принтер? Просто о сложном

Если коротко, то 3D принтер – это устройство для создания трехмерных объектов методом послойной печати. Спектр используемых для печати материалов постоянно расширяется и можно смело предполагать, что в будущем он будет включать большинство известных нам веществ. Пока самыми популярными материалами для печати остаются термопластики и фотополимерные смолы.

Общий принцип работы 3D принтера можно представить следующим образом:

1. создание модели желаемого объекта в специальной программе для 3D-моделирования;
2. обработка созданной модели программными средствами («генератор G-кода»), в ходе чего она делится на множество горизонтальных слоев и преобразуется в цифровой код, который становится командой для принтера, как и куда наносить материал;
3. печать, которая представляет собой формирование объекта методом послойного нанесения материала. В зависимости от типа принтера особенности печати могут отличаться, но общий принцип заключается именно в послойном нанесении. Печатающая головка двигается только в горизонтальной плоскости (по осям X и Y), она подает материал и наносит его так, как это задано программой. Когда один слой полностью нанесен, рабочая платформа сдвигается вниз (по оси Z) ровно на толщину одного слоя, и печатающая головка наносит следующий слой, и так до тех пор, пока не будет полностью сформирован объект.

Особенности печати зависят той технологии, которую использует принтер, поэтому имеет смысл разобраться с самыми распространенными на данный момент.

Типы 3D-принтеров и особенности печати каждого

Чаще всего сегодня используют технологию FDM-печати, а также SLA-печати. Что стоит за этими непонятными аббревиатурами, и какими еще разработки существуют в данной сфере?

Метод FDM-печати

FDM-технология (Fused Deposition Modeling) – это технология послойного наплавления нити. Сегодня этот способ 3D-печати считается самым распространенным, одновременно он относится и к одним из самых старых методов. Принцип заключается в послойном наплавлении нити пластика по контуру модели.

Для печати используются термопластики, которые поставляются в виде катушек или прутков. Чаще всего печатают PLA и ABS пластиками, в числе которых нейлон, полиамид, поликарбонат, PET (он же полиэтилентерефталат, который используется для создания пластиковых бутылок) и некоторые другие вещества.

Принцип работы заключаются в следующем:

• нить материала помещается в экструдер, где она плавится под воздействием нагревательного элемента, а потом выдавливается через сопло на рабочую поверхность;
• экструдер двигается по траектории, заданной ей программным обеспечением, и слой за слоем строит объект;
• если необходимо напечатать сложный предмет, то могут использоваться два типа материала: один – для модели, второй – для создания опор (он, как правило, растворимый, или же просто очень легко отламывается от объекта). Опоры необходимо печатать, если объект имеет повисшие в воздухе элементы, которые без поддерживающих элементов создать невозможно – принтеру будет просто не на чем печатать. Наглядно все представлено на рисунках ниже;
• после формирования первого слоя платформа опускается вниз на толщину одного слоя, а экструдер выдавливает новую порцию материала, процесс повторяется много раз;
• по окончанию печати остается отделить вспомогательные элементы.

FDM-технология позволяет использовать термопластики производственного класса, поэтому распечатанные объекты получают отличную механическую, химическую и термическую прочность. Технология простая, чистая и пригодна для использования в условиях офиса или дома.

По такому же принципу работают 3D-ручки. Это фактически миниатюрные принтеры. Такие ручки предназначены для рисования трехмерных рисунков. Пользователь может выдавливать из нее мгновенно застывающий пластик, придавая ему любую форму и получая забавные изделия. Устройство больше предназначено для баловства, но идея интересная, а дизайнеры смогут сделать много интересных предметов декора для дома.

Метод SLA-печати, или стереолитография

SLA-технология (laser stereolithography) предполагает использование для печати жидких фотополимерных смол, которые имеют свойство застывать под воздействием лазера или подобного источника энергии. Метод позволяет получать предметы с очень точной геометрией, ведь толщина слоя может достигать рекордных 15 микрон, поэтому уже широко применяется в стоматологии при изготовлении имплантатов и в ювелирном деле для создания заготовок с обилием сложных деталей.

Принцип работы 3D-принтеров, использующих метод лазерной стереолитографии, коротко можно описать так:

• рабочая платформа погружается в ванну с жидким фотополимером на толщину одного слоя (15-150 микрон);
• воздействие лазера на стенки будущего объекта. Лазерный луч в буквальном смысле вычерчивает на фотополимере форму объекта, которая, в свою очередь, задается программным обеспечением. Облучение лазера вызывают полимеризацию материала в точках соприкосновения с лучом и его затвердевание;
• платформа погружается еще чуть глубже в ванну с жидким фотополимером, причем глубина погружения соответствует величине слоя. Лазер снова воздействует на зоны материала, которые должны быть частями печатаемого объекта;
• процесс повторяется слой за слоем, пока не будет распечатан смоделируемый объект;
• технология также требует печати поддерживающих элементов. Они выполняются из того же фотополимера;
• после завершения печати объект погружают в ванну в специальные растворы для удаления излишков и очистки модели;
• финал – облучение ультрафиолетом для окончательного застывания фотополимера.

Технология прогрессивная, но требует покупки дорогих расходных материалов.

Другие типы печати

Менее распространенными, но не менее интересными и перспективными являются следующие способы трехмерной печати:

• SLS– технология селективного лазерного спекания. Предполагает подачу на рабочую поверхность тонкого слоя плавкого порошкового материала (пластик, керамика, стекло или металл), который под точечным воздействием лазерного луча спекается. После формирования первого слоя рабочая платформа опускается и идет создание следующего слоя. Технология не требует создания поддерживающих конструкций, но очень дорогая, требует дополнительной термической обработки, для бытового использования не подходит;
• EBM– технология электронно-лучевого плавления. Чем-то похожа на предыдущий метод, но тут слои объекта формируются путем плавления порошка металла в вакууме электронным лучом. Термическая обработка после печати не требуется;
• SLM– технология селективного лазерного плавления, напоминает SLS-технологию, но тут используются только порошки металлов, а лазеры применяются более мощные, термическая обработка после печати не требуется;
• LOM– технология печати путем ламинирования. Под действием давления или нагрева тонкие пленки рабочего материала (полимерная пленка, ламинированная бумага) склеиваются в одно целое, а с помощью лазера или режущих элементов вырезаются необходимые контуры объекта. Более того, вырезать можно и части внутри объекта, правда, не всегда это сделать легко. Технология позволяет отказаться от печати поддерживающих конструкций;
• 3DP, или 3D Printing – это аналогичная SLS технология, но здесь не используется плавление – объект формируется из порошкового материала за счет нанесения клея путем струйной печати. Так как в клей можно добавлять красители, открывается возможность для цветной трехмерной печати.

Какой 3D-принтер лучше выбрать для бытового использования?

Забегая наперед, отметим, что пока стоимость бытовых 3D-принтеров остается относительно высокой, но в дальнейшем имеем все шансы наблюдать удешевление технологии. Вспомните, когда появились мобильные телефоны, они также были доступны только очень богатым людям.

Цели использования домашнего 3Д-принтера могут быть совершенно любыми: от простого баловства и знакомства с новой технологии до печати полезных в хозяйстве мелочей и моделей-прототипов для бизнеса. В любом случае, при выборе обращайте внимание на такие ключевые характеристики устройства:

разрешение печати (точность печати) – это минимально возможная высота слоя, которую может напечатать принтер. Обозначают разрешение в микрометрах (тысячная доля миллиметра). Чем меньше высота слоя, тем менее заметным будет переход между ними, и тем более гладкой будет поверхность печатаемого объекта. С другой стороны, чем меньше слой, тем больше времени принтеру понадобится на печать и тем выше нагрузка на все его элементы. Разрешение зависит от технологии (SLA позволяет печатать точнее, чем FDM), точности работы печатающих головок, настроек программного обеспечения и выбранного материала для печати; Образцы с разной толщиной слоя

Интересные варианты бытовых 3D-принтеров

MakerBot Replicator 2

Качественный принтер американского производства, печатает по FDM-технологии, 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 в секунду, или 24 см 3 /час. Корпус выполнен из стали, есть ЖК-экран, вес 11,5 кг. Модель хоть и выпущена в 2013 году, до сих пор активно используется для бытовой печати. Стоимость 3100$.

PrintBox3D One

Принтер отечественного производства, печатает по технологии FDM, минимальная толщина слоя – 50 мкм, размеры рабочей платформы – 185*160*150 мм. Устройство печатает ABS и PLA пластиками, оснащено подогреваемой платформой. Цена около 1700$, разработано для использования в сфере образования и дизайна.

Wanhao Duplicator i3 v2

Бюджетный вариант для тех, кто хочет освоить технологию и побаловаться. Стоит около 500$, печатает разными видами пластика с точностью до 100 мкм, область печати 200*200*180 мм. Качество сборки отличное.

PICASO 3D Designer

Печатает по FDM-технологии, как и все бытовые 3D-принтеры на сегодняшний день, использует для печати ABS и PLA пластики, в т.ч. нейлон. Точность печати — 50 мкм, рабочая платформа размерами 200*200*210 мм, максимальная скорость – 30 см 3 /час. Устройство оснащено подогреваемой платформой, стоимость 1700$.

3D принтер Hercules

Неплохое устройство от российской компании IMPRINTA, печатает разными видами пластика, точность печати – 50 мкм. Платформа подогреваемая, максимальная температура – 120 0 С. Скорость печати – 40 см 3 /час. Цена 1150$.

В качестве итога об основных плюсах и минусах трехмерной печати

3D-печать – направление перспективное и с большим потенциалом. Чтобы расставить все точки над «i» в изучении вопроса трехмерной печати, приведем основные ее преимущества:

• скорость, универсальность и снижение трудоемкости. Один принтер может заменить небольшую производственную линию со станками, пресс-формами или формами для литья, и это только начало. Чтобы создать предмет привычными ручными способами, может понадобиться немало времени и усилий по созданию заготовок, обтачиванию, соединению деталей – принтер решает эту задачу гораздо проще и быстрее;
• свобода творчества, ведь принтер может напечатать практически любой объект, созданный в программе;
• разнообразие используемых материалов, и речь не только о пластиках и металле, но и о живых клетках и продуктах питания. Более того, трехмерная печать позволяет полноценно работать с теми материалами, которые другими способами обработать очень сложно или даже невозможно;
• простота в использовании и экономичность, низкая вероятность ошибок;
• возможность использования достижений трехмерной печати в медицине для создания искусственных тканей и органов, протезов, имплантатов.

Существующие минусы:

• построение объекта из слоев означает наличие границ-переходов, поэтому поверхность предмета будет шероховатой и матовой. Если же толщина слоя большая, то переходы между ними будут заметны невооруженным взглядом. Прочность напечатанных объектов, особенно по методу FDM, уступает прочности предметов, выточенных из цельного куска материала;
• ограничение в размерах. Напечатать объект, который будет больше рабочей поверхности, невозможно. Сейчас уже есть принтеры с неограниченной зоной печати, но это пока только разработки;
• высокая цена, но это лишь вопрос времени. Новые технологии всегда дорогие, а с развитием и популяризацией они стремительно дешевеют. К стоимости прибавить необходимо еще и цену расходных материалов;
• сокращение существующих промышленных производств и опасность печати оружия – глобальные проблемы трехмерной печати. Возможно, уже в ближайшем будущем…

Трехмерная печать – это будущее медицины и промышленности, а также возможность быстрого создания прототипов и моделей, а это бесценно для инженерии. Кто знает, может, через 5-10 лет мы так же просто будем скачивать модели чашек или обуви и печатать их на собственном домашнем принтере, как сегодня скачиваем и просматриваем фильмы.

Что такое 3D-принтер и для чего он нужен?

Большинство людей слышали о такой технологии, как трехмерная печать. Она появилась уже довольно давно, но для многих принцип работы до сих пор остается загадкой. В статье будет рассмотрено, что такое 3D-принтер, как он работает и его основные области применения.

Что такое 3D-принтер?

3D-принтер — это прибор, с помощью которого можно создавать реальные пространственные объекты из различных материалов.

В большинстве случаев аппараты для трехмерной печати похожи на обычные принтеры по своему устройству, так как состоят из одинаковых деталей. Основным отличием является то, что 3D-принтер способен печатать во всех трех плоскостях. Кроме высоты и ширины, есть еще и глубина.

Принтер для трехмерной печати состоит из таких деталей:

1. Корпус.
2. Рама. Эта конструкция соединяет все остальные детали прибора.
3. Экструдер. Эта часть устройства разогревает материал и при помощи системы захвата отмеряет необходимое количество пластика. Полужидкий пластик выдавливается в виде тонких нитей.
4. Рабочий стол. Также эта часть может называться поверхностью для печати или рабочей платформой. На рабочем столе происходит формирование изделий.
5. Шаговые и линейные двигатели. Они необходимы для приведения других деталей в движение.
6. Фиксаторы. Так называются датчики, с помощью которых происходит определение координат печати. Также фиксаторы ограничивают подвижные части. Это необходимо, чтобы экструдер не выходит за пределы рабочего пространства.

В качестве рабочего материала 3D-принтеры используют пластиковые нити различных цветов. Они могут отличаться и по другим характеристикам, например температуре плавления, жесткости, прочности и т. д. Нити наматываются на катушки и продаются по весу. Для печати может использоваться нейлон, поликарбонат, полиэтилен, АБС и др.

Также существуют фотополимерные 3D-принтеры. Для них используются фотополимерные смолы. Они жидкие, но под воздействием ультрафиолета начинают затвердевать.

Принцип работы всех принтеров заключается в послойном наращивании изделия. Устройство создает объект постепенно, нанося материал слой за слоем. Таким образом распечатать можно все что угодно, например запчасти для различной техники, игрушки, макеты сооружений и т. д. Все ограничивается только фантазией пользователя и навыками моделирования.

Что такое 3D-печать?

Трехмерная печать — это создание реального объекта по смоделированному 3D-образцу. Цифровая модель сохраняется в STL-формате и переводится в G-код (универсальный программный язык для 3D-принтеров). После этого устройство начинает послойно формировать изделие.

Сам процесс печати состоит из повторяющихся циклов, связанных с нанесением на рабочую поверхность расходного материала. После каждого цикла стол опускается (или поднимается экструдер) на высоту равную толщине слоя.

Применение

У 3D-принтеров очень большие возможности. Эти устройства уже стали привычными инструментами в архитектуре, промышленном дизайне, инженерии, производстве, ювелирном деле, стоматологии и т. д.

Типичные примеры использования:

1. Создание персонализированных моделей. В этом случае изделия полностью соответствуют требованиям пользователя по форме и размерам.
2. Быстрое прототипирование. Благодаря трехмерной печати можно очень быстро сделать прототип или модель. Это сильно помогает дизайнерам и инженерам в их деятельности.
3. Создание объектов со сложной геометрией. Модели, которые даже трудно представить, очень просто создать на 3D-принтере.

Преимущества 3D-печати

Основные достоинства 3D-печати:

1. Стоимость готовых деталей и прототипов сильно снижается благодаря применяемой технологии и дешевым материалам.
2. Увеличивается скорость производства.
3. Высокое качество готовых изделий.
4. Практически полное отсутствие отходов.
5. Высокая степень кастомизации.
6. Простое изготовление сложных деталей.

Несмотря на достаточно медленный старт, технология трехмерной печати все же начала набирать популярность как у производителей, так и у клиентов. Также 3D-принтеры многие используют для бытовых целей. Но пик популярности и функциональности этой технологии еще только впереди.

3D принтеры: описание, назначение и принцип работы

3D-принтеры являются современной альтернативой традиционным методам промышленного производства. По своей конструкции они напоминают обычные офисные принтеры, только печатающие в трех плоскостях (ширина, высота, глубина). Устройства позволяют изготавливать миниатюрные или крупные объемные объекты с различными физическими характеристиками. При этом, аддитивное производство требует меньших расходов, обеспечивает более высокую эффективность в сравнении с традиционными технологиями.

Поговорим о том, что представляют собой 3D-принтеры, как они работают, какие технологии используют. Также рассмотрим виды продукции, которую можно изготовить с помощью данного оборудования.

Что такое 3D-принтер

Это специальная техника для печати объемных физических объектов на основе цифровых компьютерных моделей.

Основные части конструкции 3D-принтера:

• открытый или закрытый корпус (камера сборки);
• рама – объединяет все детали и механизмы оборудования;
• шаговый, линейный двигатели – приводят в движение механизм, отвечают за скорость и точность печатного процесса;
• рабочая платформа (стол, печатная платформа) – поверхность, на которой формируются трехмерные детали;
• печатающая головка (экструдер) – система захвата отмеряет нужное количество материала, подает его через разогретое сопло, полужидкий пластик выдавливается в виде нитей;
• фиксаторы – датчики для определения координат печати, ограничения подвижных элементов (обеспечивают работу в пределах рабочей платформы, следят за аккуратностью печати).

Как работают 3D-принтеры

Процессом печати управляют при помощи компьютерной программы, в которую предварительно загружают объемную цифровую модель будущего предмета, моделируют ее, задают форму, размеры, технические параметры. Задачей принтера является преобразование цифрового эскиза в осязаемый материальный объект.

Есть много вариантов 3D-принтеров, которые различаются по конструкции и используемой технологии печати. Но все они имеют общий принцип работы: послойное построение 3Д-модели на основе заданного образца печати каждого слоя. Печать происходит в автоматическом режиме, обеспечивая максимально точное воспроизведение 3D-модели.

Способ построения объектов с помощью 3Д-принтера зависит от особенностей применения расходного материала: металла или пластика.

Печать по металлу

В процессе построения печатная головка распыляет клей (связующее вещество) на определенные места в соответствии с заданной программой. Затем на платформу наносится металлический порошок, который затвердевает при контакте с клеем. Процедура повторяется до завершения нанесения последнего слоя.

Как правило, объемные 3D-принтеры для работы с металлами представляют собой дорогое, массивное промышленное оборудование. Устройства используются в первую очередь для создания объектов со сложной геометрией, литье и механическая обработка которых являются в крайней степени трудоемкими, а также значительно удорожают производство.

Принтеры по металлу востребованы в производстве:

• зубных коронок, стоматологических мостов;
• индивидуальных медицинских имплантатов;
• ювелирных изделий;
• прототипов серийных деталей, применяемых для испытаний, тестирований в авиационной или автомобильной промышленности.

В сравнении с классическими производственными методами, объемные принтеры позволяют изготавливать предметы из металла с массой на 60% меньше. Трехмерная печать значительно сокращает показатель отходов и помогает экономить большие объемы средств. Особенно это актуально для авиационной промышленности, где процент отходов при традиционном производстве может достигать 90%. Еще один плюс аддитивной техники – намного более экономное энергопотребление.

Печать по пластику

Создание изделий из пластика (ABS, PLA и др.) с помощью аддитивных технологий базируется на расплавлении расходника до жидкой консистенции. Пластиковый филамент подается в виде литой нити (трубки), разогревается, плавится при прохождении через сопло экструдера, затем выдавливается в нужные места на рабочем столе.

Техника для печати по термопластику используется преимущественно на дому или на предприятиях малого бизнеса. На ней изготавливают сувениры, различные макеты, элементы интерьера, прототипы обуви или одежды и др. Метод ценят за высокое качество печати изделий и большие возможности их кастомизации. Другие преимущества печати пластиком — малое количество отходов, экологичность процесса, разнообразие расходных материалов и кратчайшие сроки прототипирования.

Особенности печати изделий на принтере

Процесс построения трехмерных физических объектов с помощью 3D-печатного оборудования состоит из нескольких этапов:

1. Разработка электронной модели. Можно использовать готовую модель, взятую из общедоступных источников (CG Trader, Thingiverse и т.п.) или загрузить модель, созданную с помощью 3D-сканера. Также можно разработать эскиз в специальном программном обеспечении (Blender, AutoCAD, AutoDesk, Fusion360 и др.). Готовую цифровую модель сохраняют в одном из общепринятых форматов (.3DS, .FBX, .OBJ, .STL и др.) и экспортируют на компьютер.
2. Подготовка файла к печати. Для этого используют специальные программы-слайсеры (к примеру, Cura, AstroPrint, Simplify3D и др.). Предварительно настроенная программа «нарезает» модель на тонкие слои и задает координаты передвижения для экструдера на каждом слое. Готовый файл с данными объекта экспортируется на компьютер в формате .gcode и загружается в принтер.
3. Подготовка печатного устройства. Проверяется исправность отдельных компонентов конструкции, калибруются узлы, прогревается сопло, подготавливается расходный материал (устанавливается филамент или заливается фотополимерная смола) и т.д.
4. Печать. На панели управления выбирается нужный файл и отправляется на печать.
5. Постобработка. На готовой модели могут остаться неровности или остатки поддерживающих элементов, которые нужно удалить с помощью наждачной бумаги, надфиля, канцелярского ножа или других инструментов. Если для печати используются отверждаемые фотополимеры, то постобработка моделей заключается в их промывке в спирте и дополнительной засветке в УФ-камере до полного отверждения.

Зачем нужен 3D-чертеж и как он работает

Трехмерные объекты распечатываются по 3D-чертежу, который создается в специальной программе, затем сохраняется в формате STL или другом общепринятом формате. Файл с чертежом загружают в слайсер и обрабатывают (нарезают на слои определенной толщины, задают плотность и другие физические свойства). В результате создается инструкция для печатающей головки, которую отправляют на принтер. 3D-чертежи можно делать самостоятельно в программе-конструкторе.

Методы 3D-печати

На данный момент существует более 10 актуальных технологий объемной печати. Рассмотрим самые популярные из них.

Стереолитография

Стереолитография (SLA – «stereolithography apparatus», «стереолитографический аппарат», или SL – «stereolithography») основана на послойном отверждении жидких расходных материалов под воздействием лучей лазера. В качестве расходников применяются различные фотополимеры, т.е. вещества, меняющие свои свойства и приобретающие твердость под воздействием ультрафиолетовых лучей. Свойства веществ зависят от продолжительности воздействия и длины УФ-волны.

1. Внутрь ванночки с жидкой фотополимерной смолой помещают сетчатую платформу для построения объекта.
2. Рабочая платформа располагает на глубине, равной одному слою фотополимера.
3. Лазерный луч воздействует на определенные участки смолы, обеспечивая их затвердевание.
4. Платформа опускается на толщину одного слоя, процесс повторяется.

Напечатанный предмет подвергают постобработке: опускают в ванну со специальным составом для удаления лишних элементов, затем извлекают и облучают светом для полного отверждения.

Стереолитография востребована в научных изысканиях (например, для визуализации газо- и гидродинамических потоков внутри прозрачных моделей). Ее применяют в стоматологии (изготовление моделей костей, зубов пациентов), ювелирном деле и т.д.

Технология FDM (Fused Deposition Modeling) основана на моделировании деталей методом наплавления. Другое ее название – FFF (Fused Filament Fabrication – «производство методом наплавления нитей»).

Объекты создаются послойно из предварительно расплавленной нити пластика. Экструдер подает материал и укладывает его в положение, заданное программой. Готовые изделия, как правило, нуждаются в дополнительной обработке для выравнивания поверхности.

При помощи FDM-принтеров можно производить различные изделия. Это могут быть товары народного потребления (детали для бытовой техники, игрушки, мебель и т.п.). Компоненты для высокоточного оборудования, прототипы изделий для малого, среднего серийного производства, а также многое другое. Метод FDM оптимально подходит для изготовления крупногабаритных предметов с экономической и практической точки зрения.

SLS (Selective Laser Sintering) – это технология селективного (выборочного) лазерного спекания. Метод печати базируется на использовании углекислотного лазера и таких расходных материалов, как порошки из металлов, стекла, полимеров или керамики. В том числе, могут использоваться порошки в виде гранул, состоящих из металлического ядра и оболочки из легкоплавкого материала. Лазерный луч выборочно разогревает порошок почти до температуры плавления, и отдельные гранулы спекаются воедино, образуя прочную, твердую структуру. Чем выше температура спекания, тем выше должна быть мощность лазера. Наличие нескольких лазеров увеличивает скорость работы SLS-принтера.

Стоит отметить, что при печати методом SLS происходит только частичное плавление поверхности гранул порошка.

Данная технология оптимально подходит для изготовления предметов со сложной геометрией, например, высокоточных промышленных деталей для функционального тестирования или компонентов механизмов и двигателей.

DLP (Digital Light Processing) – это цифровая обработка светом. Световой поток воздействует на фотополимерную смолу, в результате материал затвердевает. Для печати используется светодиодная матрица с пикселями в виде микроскопических зеркал. Главное отличие технологии – засвечивается сразу вся поверхность, то есть каждый слой создается одномоментно, что значительно ускоряет печать без ущерба ее качеству.

DLP – одна из наиболее точных, скоростных печатных технологий. Области ее применения – медицина (стоматология), ювелирное дело, искусство, научные исследования и др. Готовые модели нужно беречь от света, иначе они могут покрыться трещинами и стать хрупкими.

Polyjet

Метод состоит в послойном отверждении (полимеризации) распыленного жидкого полимера под воздействием ультрафиолетовых лучей. Готовые модели не требуют дополнительной обработки. Можно работать с неоднородными материалами, включая композиты. Также доступно создание разноцветных объектов (использование сложной цветопередачи с палитрой более 1000 оттенков).

Polyjet-принтеры обычно имеют несколько печатных головок, что дает возможность создавать сразу несколько предметов одновременно или ускорить печать одного объекта.

Готовые детали имеют стабильные геометрические формы и идеально гладкую поверхность. Они легко поддаются обработке (окрашиванию, склейке, шлифовке, распиливанию, сверлению и т.п.) и полностью готовы к эксплуатации.

Метод Polyjet оптимален для изготовления тестовых моделей, прототипов, образцов для литья в силикон и других продуктов.

Для всех существующих 3D-печатных технологий характерны следующие общие тенденции:

• постепенно методы 3D-печати будут становиться все более дешевыми и доступными для всех категорий пользователей;
• в будущем домашние 3Д-принтеры будут распространены наравне с промышленными (индустриальными) печатными аппаратами.

Что можно печатать на 3D-принтерах

Методы аддитивного производства задействованы во многих производственных, промышленных областях. На 3D-принтерах можно печатать почти все что угодно, главное, иметь достаточно производительное оборудование, цифровую модель и подходящий расходный материал.

Рассмотрим несколько перспективных отраслей, в которых применяется 3Д-печать.

Создание моделей по собственным эскизам

Используя специализированные сервисы, например, Jweel или Thinker Thing, можно легко разрабатывать персонализированные модели разных предметов (ювелирных украшений, роботов, обуви и т.д.) для их дальнейшей печати на 3D-принтере.

Изготовление прототипов

Быстрое прототипирование – популярное направление объемной печати. На 3Д-принтерах печатают прототипы олимпийского снаряжения, барельефов, лечебных корсетов, тестовые модели протезов и многое другое. Эта область 3D-печати позволяет эффективно тестировать и дорабатывать образцы продуктов перед их запуском в серийное производство.

Медицина

Устройства для трехмерной печати применяют для протезирования, создания искусственных органов, тканей и суставов, производства стоматологических продуктов, хирургических инструментов. В качестве расходников используют «живые» растворы и другие биосовместимые материалы.

Запчасти и детали

Иногда невозможно или очень сложно найти деталь для какого-либо механизма из-за того, что производитель снял ее с производства. В таком случае можно сделать эскиз нужной запчасти в редакторе или найти ее цифровую модель в интернете, а затем просто напечатать на принтере.

Моделирование и хобби

3Д-печать существенно облегчает производство коллекционных моделей, фигурок и разных миниатюр.

Строительство домов

Строительные принтеры возводят стены зданий и другие элементы сооружений. Оборудование состоит из рельсовых направляющих (с контроллерами и моторами) и подвижного сопла, через которое на рабочую площадку подается строительная смесь (бетон или полимерный состав).

Промышленный дизайн и архитектура

При помощи аддитивных технологий изготавливают макеты поселков, микрорайонов, домов и городской инфраструктуры (дорог, магазинов, транспорта, освещения и т.д.).

Образование

3D-печать применяется для создания макетов и наглядных пособий для детсадов, школ, вузов. На специальных принтерах печатают, например, увеличенные модели молекул, пробирки, токопроводящие стенды, ручки и т.д.

Космос и авиация

3D-принтеры помогают создавать высокотехнологичные аппараты и комплектующие для космических станций, ракет, самолетов.

Заключение

Трехмерная печать – экологически чистая, экономичная и эффективная альтернатива традиционным технологиям производства промышленных продуктов, сфера применения которой постоянно расширяется. Используя 3D-принтеры, можно быстро печатать высокоточные изделия и экономить трудовые ресурсы. 3D-печатное оборудование и расходные материалы к нему постепенно дешевеют, становясь доступными для большинства пользователей, поэтому коммерческие перспективы этой отрасли не вызывают сомнений.

Компания 3DTool предлагает разные виды и модели 3Д-принтеров, а также расходники надежных брендов с доставкой по Москве и в другие города России. Чтобы получить консультацию или оформить заказ, свяжитесь с нашим менеджером по телефону или через форму обратной связи на сайте.