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

Как появился трехмерный принтер

Объявлено 3D-печатью. В начале 1980-х доктор Хидео Кодама разработал систему для быстрого прототипирования с использованием фотополимера, жидкого вещества на акриловой основе. Технология печати была аналогична современной: принтер печатал объект по образцу, слой за слоем.

Первая 3D-печать. Создание физических объектов с использованием цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры мало чем отличались от калькуляторов, и за десять лет до выпуска Windows-95, он изобрел стереолитографию, предшественницу 3D-печати.

Технология работала так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал затвердевал и превращался в пластмассовое изделие. Форму печатали на цифровых объектах, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими затратами.

Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл принтерную компанию 3D Systems. Она выпустила первую машину для промышленной 3D-печати и остается лидером рынка. Правда, назывался принтер иначе — аппарат для стереолитографии.

Популярность 3D-печати и новых технологий. В конце 80-х компания 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование осаждением.

В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. И большинство современных 3D-принтеров работают по методу плавления. В обиход вошел термин «3D-печать», появились первые домашние принтеры.

Революция в 3D-печати. В начале 2000-х рынок разделился на два направления: дорогие сложные системы и доступные каждому для печати дома. Технологию начали использовать в конкретных областях: впервые на 3D-принтере был напечатан мочевой пузырь, который успешно имплантировали.

В 2005 году появился первый качественный цветной 3D-принтер, создающий наборы деталей для себя и «коллег».

Основный принцип работы

• объект моделируется на компьютере в специальной программе САПР;
• готовый объект, сохраненный в специальном формате, разрезается программой-слайсером, идущей в комплекте с устройством, при этом толщина каждого слоя определяется характеристиками 3D-принтера и выбранными настройками;
• каждый слой транслируется в двоичный командный код, который получает устройство, и в соответствии с которым по координатам наносится слой материала;
• слой за слоем формируется объект.

Технологии трёхмерной печати

Существует довольно большое количество технологий, используемых в 3D-печати. От технологии и технологии зависит материал, используемый для печати. В настоящее время можно использовать: пластиковые нити, фотополимерные смолы, сплавы металлических порошков; гипсовый композиционный порошок, воск, а также различные строительные и кулинарные смеси.

Наиболее известные технологии 3D-печати:

• ФДМ;
• СЛС и СЛМ;
• ламинирование;
• фотополимерная печать;
• гипсовая печать;
• строительное давление с бетонной смесью и др.

Послойное наплавление

Самая простая и популярная технология печати — FDM или технология наплавления.

Он предполагает подвод пластиковой проволоки к специальному нагревательному элементу.

С помощью экструдера расплавленный пластик наносится на заданную область печати. Экструдер крепится к печатающей головке, которая перемещается по рабочему пространству печати в горизонтальной плоскости. Когда слой будет напечатан, рабочая платформа опустится на количество слоя, и работа продолжится снова.

Этот вид печати является наиболее доступным. И устройства на его основе самые дешевые. Именно поэтому такие 3D-принтеры наиболее популярны для домашнего и бытового назначения, т.е личного пользования.

Фотополимерная печать

Фотополимерная печать осуществляется несколько иначе. Материал также наносится слоями, но сначала в жидком состоянии в специальной ванне. Слой за слоем на материал воздействует лазерный или ультрафиолетовый луч, и платформа поднимается. То есть объект, так сказать, вырос. Под воздействием радиации материал полимеризуется и затвердевает.

Поскольку данная технология позволяет получать изделия с высочайшей точностью, в том числе тонкостенные, она является более перспективной и имеет больше возможностей. Используется в сложных отраслях промышленности и компаниях.

Такие устройства востребованы и в медицинской сфере, открывая широчайшие возможности для изготовления высокоточных хирургических шаблонов и даже протезов.

Как устроен 3D-принтер

По сути, 3D-принтеры состоят из одних и тех же деталей и по конструкции схожи с обычными принтерами. Основное отличие очевидно: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и помимо ширины и высоты отображается глубина.

Вот части, из которых состоит 3D-принтер, не считая корпуса:

• экструдер, или печатающая головка, нагревает поверхность, отмеряет точное количество материала с помощью системы захвата и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей;
• рабочий стол (его еще называют рабочей площадкой или печатной поверхностью) – на нем принтер формирует детали и выращивает продукцию;
• линейные и шаговые двигатели – приводят детали в движение, отвечают за точность и скорость печати;
• прижимы — датчики, определяющие координаты печати и ограничивающие подвижные части. Они необходимы для того, чтобы принтер не выходил за пределы стола, и делал распечатку более точной;
• рамка — соединяет все элементы принтера.

Как создают изделия

За создание объемного изделия отвечает процесс аддитивной 3D-печати — это когда при изготовлении объекта слои материала укладываются друг на друга, снизу вверх, до тех пор, пока не получится копия формы на получается рисунок.

А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Помимо пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлической глиной и металлическим порошком.

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится очередной слой материала, а печатающая головка перемещается до тех пор, пока готовый объект не окажется на рабочей поверхности. Принтер сам удаляет отходы печати с рабочего стола.

Как работает 3D-чертеж

Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: он создается на компьютере в специальной программе, а затем сохраняется в формате STL. Этот файл выводится в программу раскроя для принтера — он помогает установить модель для физических свойств продукта, таких как плотность. Затем программа преобразует модель в инструкции для экструдера и загружает их на принтер, который начинает печатать продукт.

Как запрограммировать 3D-принтер

Краткая инструкция по настройке принтера:

1. Выберите 3D-модель. Изделие можно нарисовать самостоятельно в специальном редакторе САПР или найти готовый чертеж – в интернете полно моделей разной сложности.
2. Подготовьте 3D-модель к печати. Делается это методом нарезки (срез – часть). Например, для печати игрушки модель необходимо «нарезать» на слои с помощью программ-слайсеров и передать на принтер. Проще говоря, слайсер показывает принтеру, как печатать объект: по какому контуру двигать печатающую головку, с какой скоростью, какую толщину слоев делать.
3. Перенесите модель на принтер. Из слайсера 3D-рисунок сохраняется в файле с именем G-code. Компьютер загружает файл на принтер и запускает 3D-печать.
4. Смотрите печать.

Методы 3D-печати

FDM

Технология FDM (Fused Deposition Modeling) основана на моделировании деталей в процессе сварки. Другое название FFF (Fused Filament Fabrication»).

Объекты изготавливаются слоями из предварительно расплавленной пластиковой нити. Экструдер подает материал и размещает его в заданном программой положении. Готовые изделия обычно требуют дополнительной обработки для выравнивания поверхности.

С помощью FDM-принтеров можно производить различную продукцию. Это могут быть товары народного потребления (детали к бытовой технике, игрушки, мебель и т.д.). Комплектующие для высокоточного оборудования, прототипы изделий для мелко- и среднесерийного производства и многое другое. Метод FDM оптимально подходит для производства крупных объектов с экономической и практической точки зрения.

SLS

SLS (Selective Laser Sintering) — технология избирательного (избирательного) лазерного спекания. Метод печати основан на использовании углекислотного лазера и расходных материалов, таких как порошки из металлов, стекла, полимеров или керамики.

В частности, могут быть использованы порошки в виде гранул, состоящих из металлического ядра и оболочки из легкоплавкого материала. Лазерный луч избирательно нагревает порошок почти до температуры плавления, а отдельные гранулы спекаются вместе, образуя прочную твердую структуру. Чем выше температура спекания, тем выше должна быть мощность лазера. Наличие нескольких лазеров увеличивает скорость SLS-принтера.

Следует отметить, что при печати методом SLS происходит лишь частичное оплавление поверхности гранул порошка.

Эта технология лучше всего подходит для производства объектов сложной геометрии, таких как высокоточные промышленные детали для проверки работоспособности или компоненты механизмов и двигателей.

DLP

DLP (Digital Light Processing) — это цифровая обработка света. Световой поток воздействует на фотополимерную смолу, в результате материал затвердевает. Для печати используется светодиодная матрица с пикселями в виде микроскопических зеркал. Основное отличие технологий в том, что освещается сразу вся поверхность, то есть создается сразу каждый слой, что значительно увеличивает скорость печати без ущерба для качества.

DLP — одна из самых точных и высокоскоростных технологий печати. Область применения: медицина (стоматология), ювелирное дело, искусство, научные исследования и т д. Готовые модели необходимо оберегать от света, иначе они могут растрескаться и стать ломкими.

Polyjet

Метод заключается в послойном отверждении (полимеризации) распыленного жидкого полимера под действием ультрафиолетовых лучей. Готовые модели не требуют дальнейшей обработки. Возможна работа с разнородными материалами, в том числе с композитами. Также возможно создание разноцветных объектов (используя сложную цветопередачу с палитрой более 1000 оттенков).

Принтеры Polyjet обычно имеют несколько печатающих головок, что позволяет одновременно создавать несколько объектов или ускорять печать одного объекта.

Готовые детали имеют стабильные геометрические формы и идеально гладкую поверхность. Они легко поддаются обработке (окрашивание, склеивание, шлифование, распиловка, сверление и т д.) и полностью готовы к использованию.

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

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

• постепенно методы 3D-печати станут дешевле и доступнее для всех категорий пользователей;
• в будущем домашние 3D-принтеры будут распространяться наравне с промышленными (промышленными) печатными машинами.

Читайте также: brother 7057 ошибка барабана 

Можно ли применять напечатанные изделия

Зависит от качества носителя, принтера и конечного продукта. Зачастую домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нуждаются в дополнительной обработке: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами, а почти всегда с ребристой поверхностью.

Существует несколько способов обработки поверхности – не все они подходят для домашнего использования:

• механическая обработка – шлифовка вручную, нарезание заусенцев;
• химические – погружение в ацетон, пескоструйная обработка, нанесение специального раствора кистью.

Что можно напечатать на 3D-принтере

В Интернете полно сборников инструкций по печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких деталей до скульптур.

Есть ряд перспективных направлений, где 3D-печать уже используется.

Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, заявил в интервью «Афише», что 3D-печать приведет к расцвету кастомизируемых вещей: любой желающий может собрать и распечатать желаемое изделие онлайн.

Например, создать модель робота и заказать печать на промышленном принтере, создать и распечатать собственный дизайн обручальных колец или обуви. Примерами таких проектов являются Thinker Thing и Jweel.

Быстрое прототипирование. Самая популярная область, где используется 3D-печать. На 3D-принтерах изготавливаются тестовые модели протезов, прототипы медицинских корсетов, барельефы, олимпийская экипировка.

— австралийский университет изучил возможности 3D-принтера и напечатал табуретку в виде отпечатка пальца;

— шеф-повар из Дании выиграл конкурс высокой кухни: напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и пюре из свеклы;

— в немецком институте разработана система ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой 30 см. На печать карманных фигурок у типографов обычно уходит час.

Как происходит печать

Программное обеспечение для 3D-принтера

Сначала с помощью специального программного обеспечения создается модель будущего объекта, затем она загружается в принтер, который создает физический объект по описанной выше технологии.

Этот метод называется прототипированием. Но сейчас существует несколько принципов работы 3D-принтеров, разработанных на его основе:

• Стереолитография (SLA). Основной материал представляет собой смесь жидкого полимера со специальным реагентом, служащим для отверждения пластика (напоминает эпоксидную смолу). Ультрафиолетовый лазер отвечает за полимеризацию смеси в нужный момент.Фигура построена на подвижной платформе, соединенной с небольшим «лифтом», который перемещает заготовку вверх или вниз на один слой. Когда лазерный луч погружается в полимер, он останавливается в местах, которые должны быть отверждены. После формирования слоя подъемник поднимает или опускает заготовку.
• Селективное лазерное спекание (SLS). Не секрет, что технологии 3D-печати уже внедрены практически во все сферы производства. Металлообработка не стала исключением, здесь используется метод SLS.Материал представляет собой композиционный порошок, содержащий частицы размером 50-100 мкм. Порошок наносится равномерным слоем, после чего «запекается» лазером. Технология очень экономична и практически безотходна по сравнению с традиционной резкой, литьем, фрезерованием, сверлением и т.д.
• Многоструйное моделирование. Уникальная разработка американской компании 3D Systems, аналогичная стандартной струйной печати в обычных принтерах. В процессе задействованы десятки, а то и сотни сопел, расположенных рядами на печатающей головке. «Чернила» нагревают, слоями погружают на рабочую поверхность, а затем отверждают при комнатной температуре.

Это только основные и наиболее распространенные способы, на самом деле существует множество более редких, узкоспециализированных вариантов — например, УФ-облучение через фотошаблон (СГК), послойное склеивание пленок, порошковое склеивание, ламинирование листовых материалов (ЛОМ) и другие.

Области применения 3D-печати

Технология нашла применение практически во всех сферах человеческой деятельности:

• образование;
• архитектура;
• наука;
• машиностроение;
• лекарственное средство;
• приготовление еды;
• приборостроение;
• производство одежды и обуви.

Шоколадный 3д принтер

напечатанная на 3D-принтере пицца

3D печатная модель дома

3д печатная машина

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Существует несколько схем 3D-печати, основанных на движениях платформы и печатающей головки, которые могут перемещаться относительно друг друга в разных плоскостях.

Существует четыре основных печатных формы:

• участвовать,
• экструдер перемещается по осям X и Y,
• экструдер меняет свое положение в пространстве по осям X и Z,
• экструдер перемещается по осям X, Y и Z.

I схема

Платформа неподвижна, положение по осям x, y и z изменяется только экструдером. Особенностью модели является наличие высокой рамы. Печатающая головка размещена на трех стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещенном на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Достоинства: высокая скорость печати, хорошая точность.

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка расположена над платформой и может перемещаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как и в предыдущем типе, способен перемещаться влево или вправо, а также менять свое положение по высоте. Платформа, в свою очередь, может двигаться вперед или назад, не меняя своей высоты.

IV схема – экструдер движется по осям X, Y и Z

Последняя компоновка предполагает использование фиксированной платформы. Как и в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трем осям x, y, z, но в этом случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Самый доступный и потому самый распространенный метод 3D-печати, когда готовый объект изготавливается из жидкого пластика или композитных материалов, которые проходят через печатающую головку экструдера и послойно затвердевают лазером.

Готовый слой перемещается вниз, и печатается новый, и так до тех пор, пока весь элемент не будет готов. Принтеры FDM — один из самых простых способов 3D-печати, и вы даже можете собрать их самостоятельно. Ну или купить готовые решения, которых на рынке много.

Стереолитография (SL или SLA)

По принципу работы этот вид 3D-печати аналогичен предыдущему, только исходным материалом служит жидкая смола (акриловая, эпоксидная, виниловая) или пластик. Лазерный луч «запекает» исходный материал слоями, формируя готовый объект. Затем его промывают от остатков смолы или пластика и подвергают окончательному отверждению ультрафиолетовым светом.

Стереолитография позволяет печатать элементы с мелкими деталями, и после выполнения всех процедур готовая деталь получается прочной и химически стойкой, но обратной стороной медали является очень высокая стоимость таких 3D-принтеров.

Cелективное лазерное спекание (SLS)

Другой метод послойной печати объектов, при котором лазер спекает порошок – металлический, пластиковый или керамический – слой за слоем, формируя готовый объект. Это технология плавки (SLM), которая отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чистым металлическим порошком без добавок — так формируются монолитные элементы, лишенные пористости, характерной для обычного спекания.

Как правило, толщина проволоки и самих слоев составляют доли миллиметра: типичный диаметр сопла колеблется от 0,3 до 0,8 мм, а толщина слоя составляет от 50 до 300 мкм. Для сравнения, толщина человеческого волоса колеблется в пределах 80-100 микрон.

Очевидно, что печать тонкой нитью занимает довольно много времени. На самом деле типовой производственный цикл легко измеряется часами или даже больше суток: все зависит от выбранного диаметра сопла, толщины отдельных слоев и габаритов самого изделия. Чем выше толщина нити и слоев, тем меньше времени потребуется на печать, но качество поверхностей будет ниже.

Расходные материалы

Одним из наиболее привлекательных факторов FDM-печати по-прежнему остается большой выбор относительно недорогих расходных материалов. Двумя наиболее популярными пластиками являются ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) и PLA (полилактид).

Абсолютно все мы знакомы с первым вариантом — это самый распространенный промышленный пластик, из которого делают вашу любимую кофемолку, шариковую ручку, защитный чехол для смартфона и многие другие предметы быта.

Второй — экологически чистая альтернатива, представляющая собой органический биоразлагаемый полимер, изготовленный из кукурузы или сахарного тростника.

Хотя PLA не такой прочный, его можно смело выбрасывать на помойку, так как под воздействием окружающей среды через несколько месяцев полилактид превратится в безвредный компост.