3D-принтер: что это такое 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 техники 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.

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:

• принимать участие,
• 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.

Читайте также: Как сбросить подгузники на canon mg2540s

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейного перемещения в трех измерениях.

Устройства оснащены высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за последовательность движений этих двигателей.

Автоматизированная система перемещает печатающую головку и выдавливает материал (например, расплавленный пластик) в нужное время).

Слой за слоем создается фигура, которая сначала закладывается в программу.

В его основу положен принцип работы «декартова робота» (устройство, способное перемещаться по декартовым координатам, более известным каждому школьнику как декартовы координаты — X, Y, Z).

Примерная схема печатающей головки 3d принтера

• Выдавить. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Он состоит из термоголовки и приводного узла, выдавливающего пластиковую проволоку.

Работает это так: в принтер продевается катушка филамента, привод разматывает и освобождает ее и подает на термоголовку (она же камера). Головка обычно представляет собой нагретый алюминиевый элемент, расплавляющий нить накала. В полужидком состоянии вещество выталкивается через отверстие на печатающей головке.

• Линейный двигатель. От разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой координатной оси используется отдельный гладкий стержень, работающий вместе с подшипниками. Подшипники изготавливаются из пластмассы, стали, бронзы и т д. Бронзу сложнее всего калибровать при сборке, но они менее шумные.
• Крепеж. Для того чтобы линейные приводы не выходили за пределы рабочего поля, необходимы ограничители — фиксаторы. На функциональность работы они не влияют, но их наличие делает печать намного точнее и точнее. Есть модели с оптическими или механическими замками.
• Платформа. Поверхность размером 100-200 мм2, на которой будет создаваться готовая фигура. Платформу производители обычно делают подогреваемой — это необходимо для предотвращения трещин или надрывов модели, для обеспечения сцепления между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Платформа обычно изготавливается из алюминия или стекла — материала с хорошей теплопроводностью.

Как происходит печать

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

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.

Как распечатать пластик. 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.

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.

Технологии 3D-печати

Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры и формирует каждый слой по трехмерному рисунку. После облучения материал твердеет. Прочность изделия зависит от типа полимера – термопласт, смола, каучук.

Стереолитография не поддерживает цветную печать. Другие недостатки включают медленную работу, большие размеры стереолитографических установок и невозможность объединения нескольких материалов за один прогон.

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

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

Селективное лазерное спекание (SLS). Наиболее распространен метод спекания порошковых материалов. Другими технологиями являются прямое лазерное спекание и селективное лазерное плавление.

Метод был изобретен Карлом Декартом в конце восьмидесятых годов: его принтер печатал методом послойного рисования (спекания). Мощный лазер нагревает мелкие частицы материала и перемещает их по контурам 3D-чертежа до тех пор, пока изделие не будет готово. Технология используется для производства не целых изделий, а их частей.

После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластмассы, керамику, металлы, полимеры, стекловолокно в виде порошка.

На спортсменке кроссовки New Balance, изготовленные методом лазерного спекания. Источник: 3D Сегодня

Технология SLS используется для прототипов и деталей сложной геометрической формы. Для печати дома SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.

Послойное литье полимера (FDM) или моделирование послойным напылением. Этот метод 3D-печати изобрел американец Скотт Крамп. FDM работает следующим образом: материал в виде нити подается в экструдер, где нагревается и микрокаплями подается на рабочий стол. Экструдер перемещается по рабочей поверхности согласно 3D-модели, материал остывает и затвердевает в продукт.

Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используются различные виды термопластов. FDM — самая дешевая из технологий 3D-печати, поэтому принтеры популярны для домашнего использования: для изготовления игрушек, сувениров и украшений.

Но больше всего фьюзинг-моделирование используется при прототипировании и промышленном производстве — принтеры быстро печатают небольшие серии изделий. Изделия из огнеупорного пластика производятся для аэрокосмической промышленности.

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

Написание тушью работает так: связующее наносится тонким слоем материала по контурам рисунка. Печатающая головка наносит материал по границам модели, и частицы в каждом новом слое соединяются между собой.

Этот цикл повторяется до тех пор, пока продукт не будет готов. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, теперь используют пластик, песчаные смеси и металлический порошок. Чтобы изделие было прочнее, после печати его можно пропитать воском или обжечь.

Объекты, напечатанные с помощью этой технологии, обычно долговечны, но не особенно долговечны. Поэтому с помощью чернильной печати изготавливают сувениры, украшения или прототипы. Этот принтер можно использовать дома.

Эти сладости изготовлены на струйном 3D-принтере кондитерской ChefJet: вместо пластика в нем используется вода, сахар, шоколад и пищевой краситель. Источник: 3Dcream.ru

Еще одна струйная технология используется в биопечати — наносят живые клетки друг на друга слоями и таким образом строят органическую ткань.

Где применяют 3D-печать

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

Лекарство. Мы уже упоминали о печати органов, также 3D-принтеры активно используются в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачи смогли разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех ног дали протезы, распечатанные на принтере.

Номер. 3D-печать используется для изготовления оборудования для ракет и космических станций. Другая технология используется в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые будут культивироваться на 3D-принтере.

Основатель Amazon Джефф Безос представил прототип лунного модуля с печатным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит завод по производству ракетных 3D-принтеров.

Авиация. 3D-детали печатают не только для космических кораблей, но и для самолетов. Инженеры Лаборатории ВВС США могут напечатать на 3D-принтере компоненты самолета, такие как элемент обшивки фюзеляжа, примерно за пять часов.

Архитектура и промышленный дизайн. 3D-принтеры печатают модели домов, кварталов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используется недорогой гипсовый композит.

Одним из необычных решений является конструкция бетонных баррикад американского дизайнера Джо Дусета. После терактов с врезавшимися в толпу грузовиками он предложил модель прочного и функционального ограждения в виде конструктора, который можно распечатать на 3D-принтере.

Образование. 3D-печать используется для изготовления наглядных пособий для детских садов, школ и университетов. С 2016 года в некоторых школах Москвы есть 3D-принтеры: на уроках химии дети смотрят на 3D-модели молекул и проводят реакции в распечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе проводящего стенда, а также выписывают свои собственные ручки на уроках рисования.

Что можно печатать на 3D-принтерах

Аддитивные методы производства задействованы во многих производственных, промышленных областях. На 3D-принтерах можно распечатать практически все, главное, чтобы было достаточно производительного оборудования, цифровая модель и подходящие расходные материалы.

Создание моделей по собственным эскизам

С помощью специализированных сервисов, таких как Jweel или Thinker Thing, можно легко разработать персональные модели различных предметов (украшений, роботов, обуви и так далее) для дальнейшей печати на 3D-принтере.

Изготовление прототипов

Быстрое прототипирование — популярная область 3D-печати. На 3D-принтерах печатают прототипы олимпийской экипировки, барельефы, лечебные корсеты, тестовые модели протезов и многое другое. Это направление 3D-печати позволяет эффективно тестировать и дорабатывать образцы продукции перед их запуском в серийное производство.

Медицина

Устройства для трехмерной печати используются для протезирования, формирования искусственных органов, тканей и суставов, производства стоматологических изделий, хирургических инструментов. В качестве расходных материалов используются «живые» растворы и другие биосовместимые материалы.

Запчасти и детали

Иногда невозможно или очень трудно найти деталь для механизма, потому что производитель снял его с производства. В этом случае можно сделать эскиз нужной запчасти в редакторе или найти цифровую модель в интернете, а потом просто распечатать на принтере.

Моделирование и хобби

3D-печать значительно облегчает изготовление коллекционных моделей, статуэток и различных миниатюр.

Строительство домов

Строительные чертежники возводят стены зданий и другие элементы сооружений. Оборудование состоит из рельсовых направляющих (с регуляторами и двигателями) и подвижной насадки, через которую на рабочее место подается строительная смесь (бетон или полимерный состав).

Промышленный дизайн и архитектура

С помощью аддитивных технологий создаются модели поселков, микрорайонов, домов и городской инфраструктуры (дороги, магазины, транспорт, освещение и так далее).

Образование

3D-печать используется для создания макетов и наглядных пособий для детских садов, школ, вузов. Специальные принтеры печатают, например, увеличенные модели молекул, пробирки, проводящие штативы, ручки и т д

Космос и авиация

3D-принтеры помогают создавать высокотехнологичные устройства и компоненты для космических станций, ракет и самолетов.