Что такое 3D принтер: принцип его работы и области применений

История появления 3D принтера

В 1980 году японец Хидео Кодама, доктор исследовательского института в Нагое, занялся способами послойной объемной печати моделей (прототипированием). В этом году он опубликовал статью «Трехмерное отображение данных путем автоматической подготовки трехмерной модели», описавшей его эксперименты.

В еще одной публикации Кодама представил способ автоматического изготовления трехмерной пластиковой деталей с фотоупрочнением. Практически в публикации был описан принцип действия 3D принтера: использования для получения моделей фотополимеров, применение лазерного излучения для их отверждения, последовательность нанесения слоев. Кодама подал заявление для регистрации изобретения, но патент так и не получил, потеряв, таким образом, право претендовать на первенство в изобретении технологии 3Д печатания.

В 1984 году французские ученые Ален Ле Меают, Оливье Де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на регистрацию системы быстрого прототипирования способом стереолитографии – послойного нанесения отверждаемых лазером полимеров. Заявка была отклонена после ее изучения крупными французскими компаниями виду «отсутствия перспективы применения».

Через две недели американец Чак Халл обратился за патентом на разработанную им систему стереолитографического моделирования, в которой слои добавлялись способом отверждения ультрафиолетовым лазером жидких фотополимеров. Патент был выдан Халлу в 1986 году. Изобретатель учреждает фирму (ныне «3D Systems») по выпуску своих систем. Это и были первые принтеры 3D печатания, выполненные по схеме SLA (от англ. laser stereolithography). Еще одной заслугой Халла стало применение G-кода, позволявшее печатать итоговый продукт заданной формы.

В конце 80-х годов патентуются еще два способа быстрого прототипирования: система селективного лазерного спекания (SLS) американца Карла Декарда и моделирование методом наплавления (FDM), автором которого стал американец Скотт Крамп. Способ SLS заключается в послойном спекании металлического или пластикового порошка под воздействием лазерного излучения по форме будущей детали. При использовании метода FDM разогретый пластик — то, чем печатает 3D принтер – наносится печатной головкой на предыдущий слой.

Приведенные способы являются базовыми, на них основывается большинство технологий объемной печати. Подробнее они будут рассмотрены ниже, а теперь несколько слов о зигзагах технического прогресса.

Люди удивляются, узнав, что объемная печать развивается уже более 30 лет. Они уверены, что это — техническое достижение нашего века, а не прошлого.

Дело в том, что владельцами патентов на базовые технологии прототипирования стали 3 человека : Чак Халли, Карл Декард и Скотт Крамп. Причем Карл Декард продал свой патент в 2001 году Чаку Халли. Компании, нацеленные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) найти способы договориться с владельцами прав. В связи с этим, длительное время производились в основном дорогие промышленные агрегаты.

Все изменилось после 2010 года, когда сроки патентов истекли, и первые массовые печатные устройства поступили в продажу. Люди стали интересоваться, что такое 3D печать.

Увидев же, что такое 3Д принтер, многие захотели приобрести такое устройство. Рынок отреагировал быстро. Сейчас происходит его быстрое насыщение, поэтому и цены снижаются.

Технология SLS

Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча – оно же SLS — единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья.

Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. В SLS технологии используются материалы, близкие по свойствам к маркам конечного продукта: керамика, порошковый пластик, металл. Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.

Технология НРМ (FDM) HPM

Даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, использующая термопластики производственного класса, обеспечивающие не имеющую аналогов механическую, термическую и химическую прочность деталей. Печать по технологии НРМ выгодно отличается чистотой, простотой использования и пригодностью для применения в офисе. Детали из термопластика устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде. Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами. 3D-принтеры, действующие по технологии НРМ, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями. Для печати по технологии НРМ используется два различных материала — из одного (основного) будет состоять готовая деталь, и вспомогательного, который используется для поддержки. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой. Когда 3D-принтер завершит создание детали, остаётся отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию. Интересно, что в наши дни популярностью пользуются не только автоматические настольные HPM принтеры, но и приспособления для ручной печати. Причем, правильно было бы назвать их не печатными устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов.

Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры, использующие технологию послойного наплавления. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной консистенции и тут же выдавливается через миниатюрное сопло! При должной сноровке получаются вот такие оригинальные декоративные фигурки:

Ну и конечно, так же, как и технологии, отличаются друг от друга и сами принтеры. Если у вас принтер, работающий по SLA, то технологию SLS на нём применить будет невозможно, т. е. каждый принтер создан только под определённую технологию печати.

Критика и проблемы

❌ Медленно и без гарантий: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромная проблема в любительских принтерах — брак. Например, деталь может отклеиться от подложки прямо во время печати, и произойдёт ад. Или моторы раскалибруются, и сопло начнёт промазывать мимо нужных мест.

❌ Низкая эффективность: чтобы напечатать деталь 10 × 10 см, нужен принтер размером как минимум 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.

❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать пока что ограничена пластиками и смолами. Есть отдельные технологии печати на базе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нормальный токарь и станок. Но на станке можно сделать не всякую деталь. 

❌ Не всегда понятно зачем. В промышленности 3D-принтеры используют для прототипирования, но в массовом производстве эти технологии не используются. Для домашнего применения тоже неясно: на 3D-принтерах печатают маленькие пластиковые штучки для любительских проектов… и всё. Очень мало случаев, когда обычный человек мог бы захотеть напечатать у себя дома что-то применимое в хозяйстве.

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

Объемная печать, в зависимости от сфер применения, может использовать различные принципы работы и состав полимеров, но основной технологией остается послойное наращивание пластов на объект.

Этапы проектирования:

• Создание макета на компьютере в программе автоматического проектирования, поддерживающей объемное моделирование. Софты позволяют делать расчеты на всех уровнях детали, проводить построение слоями, а также осуществлять итоговое тестирование продукта и смотреть на него со всех сторон в режиме визуализации. Такими возможностями обладают платформы от компании «ЗВСОФТ». Программное обеспечение ZW3D – это универсальная CAD/CAM система с полным функционалом для работы с 3D моделями. Есть три пакета с разным количеством инструментов: Lite, Standard и Professional. Все они идеально совместимы с принтером за счет экспорта чертежей в формате STL. Подробнее об этом можно прочитать ЗДЕСЬ.

Технология EBM

Стоит отметить, технологии SLS/DMLS – далеко не единственные в области печати металлом. В настоящее время для создания металлических трехмерных объектов широко используется электронно-лучевая плавка. Лабораторные исследования показали, что использование металлической проволоки для послойного наплавления при изготовлении высокоточных деталей малоэффективно, поэтому инженеры разработали специальный материал – металлоглину.

Металлическая глина, использующаяся в качестве чернил во время электронно-лучевой плавки изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и определенного количества воды. Для того чтобы превратить чернило в твердый объект, его нужно нагреть до температуры, при которой клей и вода выгорят, а стружка сплавится между собой в монолит.

EBM 3d принтер: как работает

Примечательно, что данный принцип также используется при работе с SLS принтерами. Но в отличие от них, EBM-аппараты генерируют для плавки металлоглины направленные электронные импульсы вместо лазерного луча. Нужно сказать, что данный метод обеспечивает высокое качество печати и отличную прорисовку мелких деталей. На сегодняшний день продаются только промышленные принтеры, использующие EBM технологию. Вот как выглядит один из них:

На видео, представленном ниже, наглядно продемонстрированы возможности 3d принтера, приспособленного для электронно-лучевой плавки:

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.

Все это управляется компьютером.

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

Вкратце — это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие. Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов. Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Как это работает

Рассмотрим более подробно принципы работы 3д принтера, виды используемых технологий, их достоинства и недостатки.

Технология объемной печати SLA

Способ предполагает использование в качестве рабочего материала жидкого фотополимера, который отверждается лазерным излучением ультрафиолетового спектра. Объемная печать идет последовательно, за один проход лазер отверждает один слой полимера. Затем подвижное основание погружается в жидкий полимер на толщину одного слоя и процесс повторяется.

Достоинства:

• система обеспечивает высокое качество поверхности итогового продукта любой формы, не требующей дополнительной обработки;
• механическая прочность и термостойкость (до 100 гр. С) итогового продукта;
• возможность изготавливать сложные, многоуровневые готовые продукты;
• отсутствие отходов.

Недостатки:

• в качестве рабочего материала используются только фотополимеры;
• нет цветной объемной печати;
• низкая скорость работы (два – три см в час);
• высокая цена устройства и рабочих материалов (минимальная стоимость аппарата для широкого потребления составляет порядка 300 тыс. рублей).

Технология объемной печати SLS

Система для печатания по технологии SLS использует различные рабочие материалы: порошок из металла, стекла, пластика и т.д. с диаметром частиц около 100 микрон.

Порошок перед использованием помещается в специальную форму, нагревается почти до точки плавления, что необходимо для уменьшения мощности лазера. Специальный валик разравнивает порошок. Лазерным импульсом спекаются участки объекта. Затем стол опускается на толщину слоя, сверху опять распределяется порошок и цикл повторяется.

Технология трехмерного печатания SLS не обеспечивает высокого качества. Требуется дополнительная обработка итогового продукта. Часто используется рабочий материал со специальными полимерными присадками, для удаления которых изделие необходимо прокаливать в особой печи.

Разработана и применяется технология использования пучка высокоэнергетических электронов вместо лазерного излучения. Такой способ требует применения вакуумной камеры, зато позволяет изготавливать детали из твердых металлов, даже титана.

Достоинства:

• Возможность получения готового продукта сложной формы из разнообразных рабочих материалов;
• Большая (по сравнению с SLA) скорость работы;
• Может применяться для мелкосерийного производства;

Минусы:

• Большая мощность лазера, что может представлять опасно при работе;
• Поверхность готового продукта нуждается в дополнительной обработке;
• Длительные этапы предварительной и постобработки (необходимость разогрева порошка и отжиг изделия в печи);
• Высокая стоимость (минимальная порядка 1 млн. рублей).

Технология объемной печати MJM (метод многоструйного моделирования)

При данном способе объемной печати на головке печатного устройства размещаются сопла малого диаметра в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен сопел.

Рабочим материалом служат различные пластмассы, фотополимеры, специальные воски либо сочетание этих веществ. Из-за мягкости рабочего материала для получения объектов сложной формы необходимы поддерживающие конструкции.

Для отверждения фотополимера 3Д принтер снабжен УФ-лампой.

Имеется возможность печатать в цвете, который задается используемыми материалами или их сочетанием.

Достоинства:

• Система обеспечивает минимальную толщину наносимого слоя, благодаря чему достигается гладкая поверхность готового изделия, не требующая дополнительной обработки;
• Цветная объемная печать и сочетание веществ с разными свойствами;
• Компактность.

Недостатки:

• Необходимы поддерживающие конструкции при прототипировании объектов сложной формы;
• Маленький выбор рабочих материалов для работы.

Технология объемной печати LOM (метод послойного склеивания пленок)

Данный способ объемной печати предусматривает использование в качестве рабочего материала листов бумаги или пластика (некоторые системы используют фольгу). С помощью роликов они протягиваются по поверхности платформы, покрытой клеевым составом. Лист прокатывается разогретым валиком и приклеивается к предыдущему слою.

Затем лазер по заданной программе срезает излишек материала, платформа опускается вниз на толщину используемого листа, и весь цикл повторяется.

Технология обеспечивает высокую скорость работы. Очень дешевые расходные материалы. Однако широкого распространения система не получила.

Достоинства:

• Готовый продукт может печататься в цвете;
• Доступность рабочего материала;
• Возможность создания больших объектов сложных форм;
• Не нужны поддерживающие каркасы.

Недостатки:

• Низкая прочность готового продукта;
• Могут быть дефекты поверхности объекта при ее дополнительной обработке;
• Большой объем отходов.

Технология объемной печати СJP

Рабочий материал, используемый в устройстве, работающем по этой технологии объемной печати – гипсовый композит. Способ предусматривает соединение слоев посредством склеивания специальным веществом. Сначала на всю поверхность платформы наносится композитный порошок. Затем он разравнивается специальным приспособлением.

Печатные головки принтера по заданному контуру наносят жидкое связующее вещество. Затем платформа опускается, рабочий материал разравнивается заново, цикл повторяется. Готовый продукт требует дополнительной обработки: нагревания для высыхания клея и удаление излишков порошка механическим способом. Технология СJP поддерживает цветную объемную печать. Для этого в клеевой состав вводятся красители либо их сочетания, позволяющие получить большую гамму цветов.

Достоинства:

• Возможность создания сложных, цветных объектов разнообразных форм без поддерживающих элементов.

Недостатки:

• Ограниченный выбор рабочего материала;
• Необходимо дополнительной обработки готового продукта
• Низкая прочность готового продукта.

Технология объемной печати FDM

З Д принтеры, работающие по технологии FDM, получили неофициальное название термопринтер. Они широко распространены, благодаря низкой стоимости: устройство можно приобрести по цене от 500 долларов. Как работает термопринтер?

Рабочим материалом здесь служат легкоплавкие пластики. Есть устройства объемной печати, работающие с металлами, обладающие низкой температурой плавления.

Печатание происходит послойно. Для каждого нового слоя рабочий материал в печатной головке устройства разогревает и через сопло с одним или несколькими отверстиями наносится на слой модели. Перемещаясь по заранее заданной траектории, головка наносит его на весь контур детали. Затем стол опускается (в некоторых системах поднимается головка) и процесс повторяется до получения конечного результата

Достоинства:

• Высокая прочность готового изделия;
• Возможность изготовления изделий больших размеров и сложной формы;
• Разнообразие рабочих материалов;
• Низкая стоимость.

Недостатки:

• Невысокая скорость работы;
• Заметная неровность поверхности готового продукта;
• Для объектов сложных форм необходимы поддерживающие элементы;
• Термоусадка (уменьшение размеров после остывания) готового продукта;
• Требуется дополнительная обработка готового продукта.

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Выделяют несколько схем 3D-печати, исходя из перемещений платформы и печатающей головки, которые могут двигаться относительно друг друга в различных плоскостях.

Существует четыре основные схемы печати:

• дельта,
• экструдер перемещается по осям Х и Y,
• экструдер меняет положение в пространстве по осям X и Z,
• экструдер движется по осям X, Y и Z.

I схема

Платформа находится в неподвижном состоянии, положение по осям x, y, z меняет только экструдер. Особенность модели — наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трёх стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещённом на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Плюсы: высокая скорость печати, хорошая точность.

Дельта

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка находится над платформой и способна двигаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.

ЗагрузкаЭкструдер движется по осям Х и Y

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как в предыдущем типе, способен передвигаться влево или вправо, а также менять своё положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, способна двигаться вперед или назад не меняя высоты.

Экструдер перемещается по осям X и Z

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

Последняя схема предполагает использование неподвижной платформы. Как в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трём осям [x, y, z], однако в данном случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

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.

Области применения 3D печати

Сфер, где реализуется новая технология очень много, самые популярные из них:

• Медицина. Давно началось производство протезов по индивидуальным параметрам. Такие искусственные части тела по виду и ощущениям практически идентичны натуральным.
• Лекарственные препараты. За материал берется биологически активная добавка. Таким образом восполняется в точном количестве необходимый элемент.
• Машиностроение и техника. Запасные части и сложные в производстве узлы стало легче сделать с помощью печати, чем задействовать несколько цехов.
• Элементы одежды и обуви. Ранее было налажено производство застежек и декоративных частей, но с появлением тончайшего полимера начали выпускать целые модели.
• Предметы искусства.
• Биопечать – новое веяние в медицине. Работы проводятся с использованием аналогичных живым тканей.

Что такое 3d принтер: видео

Существуют различные технологии трёхмерной печати. Разница между ними заключается в способе наложения слоёв изделия. Рассмотрим основные из них. Наиболее распространенными являются SLS (селективное лазерное сплетение), НРМ (наложение слоев расплавленных материалов) и SLA (стереолитиография). Наиболее широкое распространение благодаря высокой скорости построения объектов получила технология стереолитографии или SLA.

Разновидности технологий 3Д принтеров

На данный момент соревнуются три вида аппаратов:

• FDM (fused deposition modeling);
• LOM (laminated object manufacturing);
• SLA и STL (Stereolithography).

Также есть такие варианты, как:

• Polyjet;
• LENS;
• LS (laser sintering);
• 3DP (three dimensional printing).

Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Стереолитографические установки – что это такое для 3D печати

SLA или просто SL – это усовершенствованная система-прародитель. Ее истоки были положены Чаком Халлом, но на настоящий момент многие компании производят технику, основанную на принципе стереолитографии. В основу положены все те же материалы – жидкий фотополимер, запекающийся в пластик, и лазер. Луч как бы фиксирует определенные точки в емкости с жидкостью, постепенно поднимаясь снизу вверх слой за слоем. Оставшийся раствор стекает, оставляя необходимость шлифовки объекта.

Это очень эффективный, с точки зрения точности, метод. Он позволяет быстро достигнуть результата с погрешностью всего в 10 микрон. Но оборудование редко устанавливают дома, так как работа с едким веществом без соблюдения должных норм и предосторожностей чревато ожогами и токсическим отравлением организма.

Лазерное спекание – LS (laser sintering)

Метод аналогичен предыдущему, но усовершенствован за счет использования не жидкого полимера, а его сыпучего варианта. Преимущества новшества:

• В растворе нередки случаи поломки объекта еще в процессе построения, так как еще неокрепшую, но уже тяжелую конструкцию ничего не поддерживает. В порошке все иначе – деталь не может сломаться, так как она опирается на твердое вещество.
• Помимо полимера можно использовать измельченные частицы бронзы, стали, нейлона, титана.

Недостатки:

• Температура плавления очень высока, поэтому предмет долго будет остывать.
• Поверхность получается менее монолитная, в ней больше воздуха.
• Некоторые смеси опасно хранить вне камеры с азотом.

Что такое 3Д печать методом послойного наплавления термопласта

Технология LOM предусматривает наложение вырезанных по лекалу пластов из бумаги, пластмассы или алюминия и их последующее склеивание. Точные очертания рассчитываются в специализированных САПРах, которые работают с 3D моделями. Функция структурирования простых и сложных объектов в софте form•Z jr от компании «ЗВСОФТ» позволяет создавать органичные формы за счет нанесения эскиза на простую сетку и последующего детального сглаживания линий, проработки деталей вручную или автоматически.

С использованием специализированных платформ моделирование по системе LOM становится легким и удобным.

С термопластом работает также технология FDM. Ее структура заключается в подаче материала (нить из пластика) через экструдер – печатающую головку механизма. Направленный слой запекается за счет специального сопла. Так послойно происходит создание объекта снизу вверх.

Управление процессом объемной печати

Процесс получения готового продукта на 3D печатном устройстве — физическая материализация его компьютерной модели, созданной специальным программным обеспечением. Управление процессом трехмерного печатания делятся на несколько этапов.

Создание цифровой модели и введение данных в печатное устройство

Для цифровой обработки объекта необходимо специальное программное обеспечение («3D Studio Max», «AutoCAD» и др.). Если навыки работы с программами отсутствуют, лучше обратиться к специалисту. Процесс создания модели медленный и может занять несколько дней.

Можно воспользоваться специальным 3D-сканером, однако качество виртуальной модели снизится.

Если изготавливаемый объект — типовая вещь, можно поискать информацию в Интернете, на специализированных сайтах. Цифровую модель сохраняется в формате STL.
Затем с помощью специализированной программы-слайсера генерируется G-код – система команд, управляющих движением печатных элементов устройства. Интерфейс программ прост и не вызывает сложностей при использовании.

Подготовка к работе

Этап зависит от типа печатного устройства. Например, перед началом работы FDM-системы на рабочий стол устройства клеится специальная пленка и загружается бобина с пластиковой нитью. Тип и цвет пластика выбирается в зависимости от характеристик готового продукта. Проверяется наличие загрязнений и механических повреждений нити — это влияет на качество получаемого изделия.

Этап печатания

Производится самостоятельно. Необходимо следить, чтобы слои наносились на объект равномерно, не было застывания полимерной нити или ее излишней пластичности. При необходимости вносится корректировка в настройки устройства.

.Дополнительная обработка объекта

При необходимости проводится дополнительная обработка: обдирка и полировка готового продукта. Если при печатании объекта сложной формы изготавливались поддерживающие конструкции (необходимые, чтобы избежать разрушения моделируемого объекта) необходимо их удаление и полировка мест соединения.

Где можно применить 3D-принтер

Потенциал аддитивных технологий уже сейчас сделал возможным их применение в различных сферах человеческой жизни.

Промышленность

Использование систем 3д печатания в производственных процессах стало обыденностью. Изготовление моделей и прототипов готовых продуктов, позволяющих оценить их реальные характеристики. Производство сложных формовочных форм, используемых для изготовления нестандартных деталей. Изготовление запасных частей агрегатов и механизмов для быстрого ремонта. Мелкосерийное производство уникальных изделий (например, частей ракетных двигателей) и т.д.

Медицина

Получение сложных форм – копий недостающих частей человеческого скелета (отсутствующие кости черепа, раздробленные кости и т.д.). По данным формам производятся элементы, которые имплантируются в тело человека. Проведение эксперименты по печатанию органов человека (почки, щитовидной железы), которые пересаживались в организм человека и приживались. Изготовление протезов конечностей.

Архитектура и строительство

Изготовление трехмерных макетов строений для презентаций архитектурных проектов.
Появление технологии прототипирования жилых строений. С ее помощью можно за несколько часов напечатать дом, строительство которого обычными методами занимает несколько дней

Образование

Получение учебных пособий, помогающих достичь нового уровня в образовании. Изготовление объектов сложных форм, являющихся, например, графическим решением алгебраических уравнений. Развивает пространственное мышление учащихся.

Космос

Предложен проект, в котором 3Д-печатные системы будут применены в космосе: с их помощью предполагается построить лунную базу, причем в качестве рабочего вещества планируется применить лунный грунт.

Малый бизнес

Работа на 3Д принтерах позволяет создавать уникальные предметы дизайна, изготавливать миниатюры с участием напечатанных кукол, имеющих портретное сходство с заказчиками, производить аксессуары для одежды по индивидуальным заказам…. Продолжать можно бесконечно. Аддитивные технологии позволяют предпринимателю, обладающему творческим подходом к делу, уверенно найти свою нишу в бизнесе.

Основный принцип работы

• на компьютере в специальной CAD-программе моделируется объект;
• готовый объект, сохраненный в специальном формате, нарезается программой — слайсером, которая идет в комплекте с устройством, причём толщина каждого слоя определяется возможностями 3д-принтера и выбранными настройками;
• каждый слой переводится в двоичный командный код, который получает устройство, и в соответствии с которым, согласно координатам, наносится слой материала;
• слой за слоем формируется объект.

Технологии трёхмерной печати

Существует довольно большое число технологий, применяемых в 3D-печати. От технологии и технология зависят от используемого для печати материала.

В настоящее время для этого можно использовать: пластиковые нити, фотополимерные смолы, металлические порошковые сплавы; гипсовый композитный порошок, воск, а также разные строительные и кулинарные смеси.

Наиболее известны следующие технологии 3D-печати:

• FDM;
• SLS и SLM;
• ламинирование;
• фотополимерная печать;
• печать гипсом;
• строительная печать бетонной смесью и другие.

Послойное наплавление

Наиболее простая и популярная технология печати – это FDM или технология послойного наплавления.

Она подразумевает подачу пластиковой нити к специальному нагревательному элементу.

Посредством экструдера расплавленный пластик наносится в заданной печатной области. Экструдер закреплён на печатной головке, которая перемещается по рабочей зоне печати в горизонтальной плоскости. Как только слой будет напечатан, рабочая платформа опустится на величину слоя и работа продолжится снова.

Этот тип печати является наиболее доступным. И устройства, основанные на нём, стоят дешевле всего. Именно поэтому такие 3D-принтеры являются самыми востребованными для домашне-бытовых целей, то есть персонального использования.

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Самый доступный и потому самый распространённый способ 3D-печати, при котором готовый предмет создаётся из жидкого пластика или композитных материалов, которые проходят через печатающую головку-экструдер и послойно отверждаются лазером. Готовый слой смещается вниз, и печатается новый, и так до тех пор, пока не будет готов весь элемент. FDM-принтеры являются одним из самых простых способов 3D-печати, подобные устройства можно даже собрать самостоятельно. Ну, или купить готовые решения, которых на рынке присутствует множество.

Стереолитография (SL или SLA)

По своему принципу действия этот вид 3D-печати похож на предыдущий, только в нём исходным материалом выступает жидкая смола (акриловая, эпоксидная, виниловая) или пластмасса. Луч лазера послойно «запекает» исходный материал, формируя готовый предмет. Затем он промывается от остатков смолы или пластмассы и подвергается окончательному отверждению с помощью ультрафиолетового света. Стереолитография позволяет печатать элементы с тонкой деталировкой и после завершения всех процедур готовая деталь получается прочной и химически стойкой, но обратной стороной медали является очень высокая стоимость таких 3D-принтеров.

Cелективное лазерное спекание (SLS)

Ещё один способ послойной печати предметов, в котором лазер спекает порошок — металлический, пластиковый или керамический — слой за слоем, формируя готовый объект. Существует методика плавки (SLM), которая отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чисто металлическим порошком без всяких добавок — так формируются монолитные элементы, лишённые пористости, характерной для обычного спекания. 

Как правило, толщина нити и самих слоев составляет доли миллиметра: типичный диаметр сопла варьируется от 0,3 до 0,8 мм, тогда как толщина слоя составляет от 50 до 300 микрон. Для сравнения, толщина человеческого волоса колеблется в пределах 80-100 микрон. Очевидно, что печать тонкой нитью занимает достаточно долгое время. Действительно, типичный производственный цикл с легкостью может измеряться часами, а то и превышать сутки: здесь все зависит от выбранного диаметра сопла, толщины индивидуальных слоев и габаритов самого изделия. Чем выше толщина нити и слоев, тем меньше времени уйдет на печать, но и качество поверхностей будет ниже.

Как происходит печать

Программное Обеспечение для 3d принтера

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

Такой способ называется прототипированием. Но сейчас есть еще несколько принципов работы 3D-принтеров, разработанных на его основе:

• Стереолитография (SLA). В роли основного материала выступает смесь жидкого полимера со специальным реагентом, служащим для отвердевания пластика (напоминает эпоксидку). Ультрафиолетовый лазер отвечает за полимеризацию смеси в нужный момент. Фигура строится на подвижной платформе, соединенной с небольшим «лифтом», перемещающим заготовку вниз или вверх на расстояние одного слоя. Когда лазерный луч погружается в полимер, то останавливается на местах, которые должны затвердеть. После формирования слоя лифт поднимает или опускает заготовку.
• Выборочное лазерное спекание (SLS). Не секрет, что технологии 3D-печати внедрены уже почти во все области производства. Не стала исключением и металлообработка, именно здесь применяется метод SLS. В качестве материала выступает композитный порошок, содержащий в составе частицы размером 50-100 мкм. Порошок равномерно наносится слой за слоем, после чего «запекается» лазером. Технология очень экономичная и практически безотходная, если сравнивать с традиционной резкой, литьем, фрезеровкой, сверлением и т.д.
• Многоструйное моделирование. Уникальная разработка американской компании 3D Systems, похожая на стандартную струйную печать в обычных принтерах. В процессе задействовано несколько десятков или даже сотен сопел, которые рядами выстроены на печатающей головке. «Чернила» нагреваются, слоями опускаются на рабочую поверхность, затем отвердевают при комнатной температуре.

Это лишь основные и наиболее распространенные методы, на самом деле существует масса более редких, узкоспециализированных вариантов – например, УФ-облучение через фотомаску (SGC), послойное склеивание пленок, склеивание порошков, ламинирование листовых материалов (LOM) и другие.

Как создаются модели для печати?

Сначала создается 3D-модель объекта при помощи программы CAD и сохраняется в специальном формате STL. Затем файл STL загружается в программу резки для принтера, например, Cura или Slic3r. Программа резки позволяет задавать физические свойства модели, такие как плотность заполнения или использование опорных конструкций.

Программа преобразует 3D-модель в G-код. Он содержит инструкции для экструдера, по которым тот должен придавать форму каждому слою модели. Код загружается в принтер, устройство запускается, и начинается печать.