Устройство 3D-принтера, его разновидности и принцип работы. Создание 3D-модели и ее печать

За послед­ние пару лет появи­лось мно­го ново­стей о том, что кто-то что-то рас­пе­ча­тал на 3D-принтере:

• слу­хо­вой аппа­рат,
• про­дук­ты из моло­ка,
• жилой дом,
• робо­па­лец,
• моз­го­вые имплан­ты,
• ста­тую Дави­да высо­той 1 мил­ли­метр,
• гото­вые элек­трон­ные устрой­ства.

Давай­те раз­бе­рём­ся, как рабо­та­ет эта тех­но­ло­гия, какие у неё огра­ни­че­ния и за ней ли будущее.

FDM

Моделирование методом послойного наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF) — самый популярный и массовый тип 3D-печати.

Стандартное FDM-устройство работает как термоклеевой пистолет управляемый роботом, что не удивляет, ведь разработка технологии FDM когда-то начиналась с опытов с термоклеем. Пластиковый пруток проталкивается через горячее сопло, где он плавится, а выходя из него укладывается слоями. Процесс повторяется снова и снова, пока не появится готовый 3D-объект.

Единственное отличие в том, что 3D-принтеры используют не стержни термоклея, а пластиковый филамент намотанный на катушки.

Самые распространенные материалы для FDM (FFF) — пластики ABS и PLA.

Пластиковая нить, она же филамент, выпускается в такой форме для того, чтобы она могла легко плавиться при заданной температуре, но очень быстро застывать — после охлаждения всего на пару градусов. Именно это и позволяет печатать 3D изделия со сложной геометрией с высокой точностью.

Проще говоря, 3D-печать отличается от традиционной 2D-печати только тем, что повторяется снова и снова, создавая слой за слоем, один на поверхности другого. В конце концов, тысячи слоев образуют 3D-объект.

FDM-принтер на примере MakerBot Replicator 2

Зачем нужен 3D-принтер

Принтер весьма пригодится инженерам-самодельщикам. Вам больше не придётся искать универсальный корпус для проекта, а потом сверлить в нём дополнительные отверстия. 30 минут проектирования, несколько часов на печать — и у вас уже готов корпус, который идеально подходит именно под ваше устройство. Сборка из 5 шилдов никуда не влезает? Забудьте о таких проблемах.

Принтер точно поможет в ремонте штуковин по дому. У каждого в жизни случалась ситуация, когда вещь приходилось выбросить, хотя в ней сломалась всего одна пластиковая деталь. С помощью 3D-печати вы сможете легко заменить в приборах редкие пластиковые детали, которые трудно найти отдельно.

Пока вы не научились моделировать пластиковые детали самостоятельно, их можно попросту качать в интернете. Существует множество сайтов с миллионами готовых бесплатных моделей, которыми свободно обмениваются пользователи. Мы посвятили поиску моделей отдельную статью.

Стереолитография

Стереолитография использует свет для “выращивания” объектов в емкости с фотополимерной смолой. Как и в прочих технологиях 3D-печати, изделие образуется слой за слоем, здесь — при отверждении жидкого фотополимера светом.

От FDM стереолитография отличается более монолитными принтами, даже с одинаковой заданной толщиной слоя.

На фото: принты FDM и SLA, слой обеих моделей — 0,1 мм.

Дело в разнице в технологиях — фотополимерная засветка дает более аккуратные слои, чем расплавленный филамент выдавливаемый из сопла FDM-принтера.

SLA и DLP — две разновидности стереолитографии. SLA — лазерная стереолитография, DLP — цифровая проекция. Различие между ними в том, что в SLA источником света служит лазер, а в DLP — проектор.

Независимо от технических особенностей, принцип работы устройств SLA и DLP схож. Для запуска печати необходимо опустить специальную платформу построения в емкость с жидкой фотополимерной смолой.

Платформа останавливается на высоте одного слоя от дна емкости. Происходит засветка источником света принтера. Жидкий полимер, под воздействием света, становится твердым и прилипает к платформе построения. После этого платформа поднимается на высоту еще одного слоя и процесс повторяется.

SLA-принтер на примере Formlabs Form 2

SLA дает более гладкие поверхности, по сравнению не только с FDM, но и с DLP, о которой рассказываем далее.

Так получается потому, что DLP проецирует слои картинкой из пикселей, а луч лазера в SLA движется непрерывно, что дает ровный, не пикселизованный слой.

DLP в тех же целях использует проектор, а LED DLP — ЖК-дисплей с ультрафиолетовой подсветкой. В этих конструкциях свет проецируется на смолу по всей площади слоя одновременно, что дает преимущество в скорости, когда необходима печать крупных объектов с заполнением в 100% — полная засветка слоя происходит быстрее, чем в SLA.

Но при печати мелких или пустотелых объектов SLA быстрее, так как интенсивность засветки лазерным лучом, а значит и скорость полимеризации, выше.

DLP-принтер на примере SprintRay MoonRay S

Бизнес объемной печати в домашних условиях

Революционное устройство печати многократно увеличивает возможности для самореализации людей искусства. Многие дизайнеры и художники способны реализоваться за счет создания 3-хмерных картинок на компьютере. А если у владельца имеется домашний3d принтер, то можно легко начать зарабатывать и получать значительную прибыль от интересного занятия. Современное моделирование поражает зрителей, творчество становится способом реализации бизнес-проектов.

Обратите внимание! В домашних условиях объемная печать востребована больше всего, ведь поблизости не у каждого есть такой принтер. Поэтому стоит открыть группу в социальной сети, и продавать изображения с готовыми товарами соседям или горожанам.

Что можно сделать на 3д принтере:

• Эскизы оружия и предметов для компьютерных игр;
• Фигурки героев из видеоигр;
• Детские машины и детали для конструктора;
• Множество безделушек;
• Объектив для фотоаппарата;
• Роботы и механические компоненты:
• Мебель и игрушки;
• Автомобили;
• Фонтаны и образцы зданий;
• Одежду и обувь;
• Аксессуары;
• Предметы быта, включая ложки и вилки.
• Посуду;
• Люстры.

SLS

Главное преимущество технологии перед FDM и SLA — SLS-печать не требует создания поддерживающих структур, ведь материалом поддержки служит окружающий модель материал — это позволяет печатать изделия любой формы, с любым количеством внутренних полостей, и заполнять ими весь рабочий объем принтера. SLS-принтеры работают с широким спектром материалов, а их принты прочнее, чем большинство напечатанных FDM или стереолитографией.

Благодаря прочностным характеристикам, напечатанные на SLS-принтерах детали могут использоваться в практических целях, а не только как прототипы и декоративные элементы.

Для создания объекта аппарат направляет лазер на слой мелкофракционного порошка, сплавляя частицы друг с другом для формирования слоя изделия. Затем, устройство рассыпает следующую порцию порошка на поверхность готового слоя и разравнивает его, а лазер расплавляет, создавая следующий слой изделия. Процедура повторяется до тех пор, пока печать не будет завершена. Есть у SLS-принтеров и минус — их стоимость. Они очень дороги, по сравнению с FDM и SLA/DLP. Это связано с ценой необходимых для такой печати высокоэнергетических лазеров. В принципе, стоимость даже самых дешевых SLS-принтеров совсем недавно начиналась от $200 000. Тем не менее, некоторые компании в настоящее время работают над тем, чтобы сделать данную технологию более доступной, поэтому есть шанс, что приобрести SLS-принтер в ближайшем будущем смогут позволить себе даже любители. Один из примеров — польская компания Sinterit.

SLS-принтер на примере Sinterit Lisa Pro

Извлеченная из SLS-принтера модель не требует удаления поддержек и может использоваться без постобработки, ее надо лишь очистить от лишнего порошка.

Как пользоваться и печатать

Самые трудные моменты в эксплуатации собранного 3D-принтера – его калибровка и создание цифровой копии модели.

Предварительные настройки (список)

До начала работы пользователь должен выполнить ряд подготовительных мероприятий:

1. Подготовить место, где будет производиться печать.
2. Заправить устройство расходными материалами.
3. Подключить принтер к персональному компьютеру или ноутбуку.
4. Проверить проходимость экструдера.
5. Выполнить калибровку движения печатающей каретки.
6. Загрузить модель в программу для печати.

Непосредственно в процессе:

1. Следить за нагревом подложки и сопла.
2. Постоянно вести наблюдение за температурным режимом.
3. Управлять скоростью подачи расходника.
4. Вовремя проводить замену бобин с пластиком на нить другого цвета или если она закончилась.

Это основной список с учетом, что 3д модель объекта уже готова.

Но также обратите внимание на такие «моменты»:

• Калибровка. Прежде чем запустить печать, калибруется движение печатающего механизма относительно платформы во всех направлениях с учетом расходного материала.
• Температура. Задается температура плавления пластика. Необходимо добиться того, чтобы слои пластика не накладывались друг на друга, но и пустого пространства между ними не было. Для этого разработан ряд утилит, применяются пробные модели.
• Время создания объекта. Время печати детали зависит от ее габаритов, быстродействия принтера и его точности. Чем выше точность исполнения, тем дольше печатается модель: от нескольких минут до пары часов.

Трехмерная печать плотно вошла в человеческую деятельность. Приобрести принтер или собрать его как сложный конструктор для взрослых смогут многие, как и научиться создавать трехмерные модели. Кто знает, может в скором будущем люди научатся печатать отходами из мебельного производства для экономии экологического материала. Или смогут печатать камни с необычной геометрией для строительства изысканных сооружений по принципу полигональной кладки, которые обнаруживают по всему земному шару.

Polyjet

Главное преимущество технологии Polyjet в ее мультиматериальности — многие Polyjet-принтеры способны печатать объект большим количеством различных материалов одновременно, что позволяет создавать изделия состоящие из участков с разными механическими и оптическими свойствами, то есть — разной твердости и цвета. Это фирменная технология ]Stratasys[/anchor].

Пример: принтер Stratasys и напечатанные на нем кроссовки.

Polyjet 3D-принтеры распыляют крошечные капельки фотополимерной смолы на поверхность и полимеризуют их ультрафиолетовым излучением.

Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет создан объект. В отличие от FDM-принтеров, Polyjet-устройства могут наносить материал из многочисленных сопел одновременно.

Polyjet-принтер на примере Stratasys J750

Как работает и печатает

Принцип действия

Создание модели

После сборки и настройки (калибровки) необходимо создать печатаемую трехмерную модель в 3D-редакторе.

• 3D-моделирование. В программе для трехмерного моделирования создается модель. Крупные прототипы, которые не поместятся в камеру принтера, делятся на несколько помельче. Трехмерная модель отправляется в программу-слайсер для формирования G-кода.
• G код. Слайсер – приложение для автоматической подготовки цифровой модели в формате STL к печати на 3D-принтере – генерирования G-кода. Слайсер нарезает модель на слои и описывает движения печатающей головки и ее действия, необходимые для формирования прототипа. На основе G-кода печатающая каретка передвигается по заданной траектории, а сопло наносит материал в указанные моменты.

После запуска печати устройство выполняет команды из G-кода.

Быстрое пропитывание

Независимо от нюансов, основано изготовление с помощью этих устройств на быстром пропитывании. Данная концепция предполагает быстрое формирование опытных образцов для демонстрации возможностей, которые дает будущий продукт.

Метод это известен под названием «аддитивное производство», в корне отличающееся от традиционных методов изготовления изделий.

Технология предполагает не удаление материалов, как это бывает при фрезеровании, ковке, сверлении и т.д., а послойное наращивание, т.е. постепенное увеличение массы.

Развитие трехмерной печати в настоящее время идет в нескольких направлениях:

• STL – стереолитография;
• FDM – использование термопластов;
• SLS – спекание лазером.

Второй метод наиболее широко применяем.

Способствую этому такие факторы:

• применение недорогих пластиков;
• техника, простая в эксплуатации.

Работа с терпомпластами, предусмотренная этой технологией, включает использование полилактида, получают который из кукурузы и тростника сахарного. Поэтому, его основным преимуществом считается экологическая чистота.

Спекание лазерное

Другая разновидность применения лазерного способа, для которого материалом служит легкосплавный пластик.

Существенный недостаток этого способа – пористая поверхность.

Хотя на прочностные характеристики это не влияет, даже наоборот, полученные рассмотренным методом детали — наиболее прочные, в сравнении с другими.

Установка, понятно, сложная и дорогая, а изготовление длительное (скорость, с которой модель формируется, достигает лишь несколько см/ч).

Функциональность печатных изделий

Она зависит от нескольких факторов:

• качества печати;
• используемого материала и др.

Домашние варианты подходят, чтобы печатать шестеренки, например, для самодельных роботов или корпуса для электронных девайсов. Опытным любителям под силу печать уникальных изделий из современного композитного материала с добавками углеволокна. «Напечатать» игрушки, ручки для посуды и прочее – проблем не составляет. Но, с помощью принтеров можно отремонтировать вещи раритетные, с производства снятые давно.

При этом, себестоимость изготовленных предметов в 10-15 раз ниже, чем, если их покупать в магазинах.

В России выпуск собственных 3D-принтеров тоже отлажен. Изделия, с помощью их изготовленные, не хуже по качественным характеристикам зарубежным аналогам. Кроме этого, всегда есть, куда обратиться, если потребуется сервисное обслуживание.

Есть еще одна разновидность машин, которые работают с:

• смолами жидкими, для отверждения которых используют свет;
• порошками металлическими и пластиковыми, для спекания которых применяют лазеры;
• изготавливающие из обычной бумаги трехмерные предметы.

Источник: malimar.ru