Сегодня трехмерной печатью удивить можно, пожалуй, только маленького ребенка. Метод 3Д моделирования запросто используется в личных или коммерческих целях, а многие современные предприятия уже не могут обойтись без такого принтера. Сама технология была создана довольно давно, однако, мало кто задумывался каков принцип действия 3Д принтера. В этой статье речь пойдет как об устройстве, так и о распространенных методах этого вида моделирования.
Устройство принтера для 3Д печати
О чём пойдет речь:
Из чего состоит
Тип устройства принтера для 3Д печати похож со своим собратом, изготавливающим любые изображения в формате 2Д. Основным отличием считается способность продвинутого принтера печатать объемные элементы. Так, к привычной длине и ширине, здесь добавляется еще и глубина. Нужно понимать, что абсолютно все 3D принтеры имеют одинаковый набор рабочих элементов.
Любое устройство, печатающее в трех плоскостях, состоит из таких рабочих элементов:
- Экструдер. Он нагревает и выдавливает вязкий пластик;
- Платформа. Основа, на которой проходит процесс;
- Мотор. Он двигает необходимые элементы принтера;
- Фиксаторы. Специальные датчики, стопорящие подвижные части принтера во время работы. Они не позволяют выйти за границы платформы;
- Рама;
- Картезианский робот. Устройство, способное двигаться по 3-м осям.
Зная устройство машины, становится понятен принцип работы 3Д принтера. Конечно, это основные рабочие узлы, принимающие непосредственное участие в создании трехмерных конструкций.
Как работает
Всего различают несколько основных технологий 3Д печати:
- Метод постепенного наслоения пластика.
- Стереолитографическое моделирование.
- Лазерное спекание.
Эти методы были названы от более популярного к менее распространенному. И сейчас кратко расскажем о каждом из них.
Большинство 3Д принтеров работает с термопластиком, в том числе с полилактидом. Он отличается природным происхождением и неспособностью выделять вредные вещества. Работа заключается в подаче тонкой нити вязкого пластика в трубу сопла. Она и формирует необходимый элемент.
Стереолитографическая печать
Эта технология широко применяется в стоматологии. С ее помощью изготавливают зубные протезы. Главным преимуществом таких принтеров считается высокое качество изготовленных конструкций. К тому же эти установки гораздо дешевле. Они не нуждаются в зеркалах, что делает устройство гораздо проще.
Тереолитографический лазерный 3D-принтер
Лазерное спекание
Для этой технологии используют легко плавящийся пластик. Мощный луч прорисовывает объект. Это действие спекает материал. И так слой за слоем проходит моделирование выбранного элемента. После завершения печати остатки материала просто отряхиваются. Минусов этого метода считается пористая поверхность изделия.
Управление работой принтера и ПО
Основные процессы регулируются с помощью ПК:
- температура сопла;
- скорость подачи пластиковой нити;
- работа мотора.
Базовой системой 3Д принтеров сегодня считается Arduino с открытой архитектурой. А программа должна выбираться в зависимости от конкретной модели машины. Чаще всего, изготовители рекомендуют использовать только фирменное программное обеспечение.
Сегодня 3Д принтер можно рассматривать как специализированное оснащение для специалистов, которые смогут решить массу задач с помощью этого устройства.
3D-принтер - это устройство, которое позволяет создавать самые настоящие объекты, причем из самых разных материалов. Крючок для полотенца, компрессор для газовой турбины, чехол для смартфона – все это можно напечатать.
В данной статье мы рассмотрим самый распространённый тип 3D-принтеров, который работает по технологии FDM (метод послойного наплавления)
Из чего состоит 3D-принтер
3D-принтер состоит из корпуса (1) , закрепленных на нем направляющих (2) , по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4) , рабочего стола (5) , на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6) .
Чем печатает 3D-принтер
Расходные материалы (филаменты) для 3D-принтеров представляют из себя пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов и свойств. О всех типах материалов можно почитать в энциклопедии 3Dtoday.Килограмм самого дешевого пластика можно купить за какие-то 500 руб., хотя более интересные варианты (например, имитаторы древесины или песчаника с наполнителями из настоящей древесины или камня) уже могут обойтись в несколько раз дороже.
Как работает 3D-принтер
Нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2) , в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер (2) , который перемещается по направляющим (3) и наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге ваше изделие (5) растёт слой за слоем.
Как запрограммировать 3D-принтер на печать
Для начала работы (печати) на 3D-принтере, будущий предмет необходимо нарисовать, причем во всех трех измерениях. Делается это с помощью специальных программ, называемых CAD-редакторами или САПР («Системами автоматизированного проектирования»). При этом рисовать модели самому совершенно необязательно – готовые варианты всевозможных крючков, чехлов или даже квадрокоптеров можно просто скачать с различных интернет-сайтов. В крайнем случае, если душа к проектированию не лежит, а необходимой модели в интернете нет, всегда можно заказать ее у профессионалов.
Когда дело доходит до 3D-печати, такие модели подвергаются «слайсингу», то есть разбиваются на отдельные слои с помощью специальных программ, так и называемых – слайсеры. Представьте, что вы хотите напечатать вазу: первым делом вазу необходимо условно нарезать на тонкие-тонкие слои, а каждый из них опять-таки условно сфотографировать. Стопку полученных снимков можно передать принтеру, и он сделает копию каждой картинки, одну поверх другой, пока слой за слоем не воссоздаст оригинальную вазу. Вот только «рисуют» принтеры по-разному и разными материалами.
Слайсер формирует специальную программу для 3D-принтера. В этой программе принтеру рассказывается, как нужно печатать модель - куда двигаться экструдеру, с какой скоростью выдавливать пластик, какая толщина слоев будет у модели и др параметры. Вся программа для принтера сохраняется в файл под названием g-code. Дальше через флеш карту или USB провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать.
Пруток подается в печатающую головку, где плавится и выдавливается через тонкое сопло. Головка передвигается в двух плоскостях, вырисовывая нитью целый слой – один из срезов того самого «яблока». Закончив один слой, принтер приподнимает головку или опускает платформу, а затем начинает печатать новый слой поверх только что нанесенного. Так, слой за слоем, срез за срезом, выращивается копия оригинального предмета.
Теперь должно быть понятным происхождение термина «аддитивные технологии». Большинство цифровых производственных методов основываются на удалении лишнего материала. Например, то же самое яблоко можно выточить, высверлить и выпилить из болванки. Такие технологии называются субтрактивными (от англ. «subtract» – «отнимать»). В 3D-печати все с точностью до наоборот: объект выстраивается крупинка за крупинкой, слой за слоем, с нуля. Отсюда и термин «аддитивный процесс» (от англ. «add» – «добавлять»).
Как мы уже говорили, 3D-принтеров великое множество и устроены они по-разному. Особо сложные промышленные машины, спекающие слои из мелких металлических порошков с помощью высокоточных лазеров, могут стоить сотни тысяч долларов. А вот настольные варианты, печатающие пластиковой нитью, вполне по карману обычному любителю: приличный конструктор вполне можно найти за 20 000 руб. даже в текущий кризисный период, а полностью собранные, отлаженные машины с массой дополнительных функций вроде подогрева рабочей камеры, сенсорного дисплея и автоматической калибровки редко стоят более 200 000 руб. Такие принтеры используют технологию FDM (Fused Deposition Modeling) или «Моделирование послойным наплавлением»
Насколько функциональны печатаемые изделия?
Скажем так: все зависит от качества процесса и используемого пластика. На домашнем 3D-принтере вполне реально печатать рабочие шестеренки для самодельных роботов или пластиковые корпуса для электронных гаджетов. Матерым инженерам-любителям даже доступны прочные пластиковые композиты с углеволоконными добавками. Само собой, сувениры, игрушки или новая ручка для сковородки не составят никаких проблем. Самое же замечательное то, что у вас появиться возможность создавать уникальные изделия или ремонтировать вещи, давно снятые с производства. Себестоимость одной детали, как правило, будет выше, чем у ширпотреба, но и здесь бывают исключения. Хотя бы те же защитные кожухи для смартфона: 50-граммовый 3D-печатный чехол из ABS-пластика хорошего качества обойдется примерно в 50 рублей, плюс небольшие затраты на электричество, а аналогичный кейс с витрины будет стоить в 5-10 раз дороже.
Производство настольных 3D-принтеров уже вовсю налажено в России, причем отечественные аналоги ничем не хуже западных вариантов, и это не пустые слова. Полного замещения комплектующих пока никому из отечественных производителей добиться не удалось, но готовые продукты дешевле западных конкурентов и не уступают им по характеристикам или качеству печати, а за сервисным обслуживанием не придется далеко бегать. Помимо FDM-принтеров существуют и машины, работающие с жидкими смолами, отверждаемыми светом, пластиковыми и металлическими порошками, спекаемыми лазерами, и даже устройства, изготавливающие высокоточные трехмерные модели из листов обычной бумаги, но это уже отдельная история.
Инновационные технологии 3D в недавнем прошлом ставшие сенсацией, в настоящее время прочно вошли в нашу повседневную жизнь. 3D-фильмы, специальные очки и все прочее уже не считается чем-то этаким и диковинным. Объемное изображение захватывает внимание, обволакивает и заставляет почувствовать зрителя как-бы внутри него - это, безусловно, более интересно, чем привычный формат. Не стоят на месте и производители современных печатных устройств. Яркий тому пример – 3D-принтеры. Что это такое и как работает 3D-принтер, расскажем в этой статье.
Главная задача эти устройств – печать трехмерных моделей из различных материалов: бумаги, пластика или даже легких металлических сплавов, слои которых накладываются один на другой и склеиваются. Толщина одного слоя около 0,1 мм. По техническим характеристикам печати 3D-принтеры можно разделить на лазерные и струйные, как обычные принтеры.
Лазерная 3D-печать
Лазерная технология основана на стереолитографии (SLA), которая позволяет печатать трехмерные модели на основе CAD-чертежей. Принцип следующий – водянистый фотополимер просвечивается ультрафиолетовым лучом, тончайший слой практически мгновенно застывает. Специальная компьютерная программа разделяет трехмерную модель объекта на сотни тысяч таких слоев, и они ложатся один на другой, склеиваются особым клеем, застывают, и снова следующий слой по заданным параметрам. Так слой за слоем и вырастает готовая модель, в конце процесса она очищается от лишнего полимера, промывается и высушивается. Лазерная технология 3D-печати позволяет воспроизводить трехмерные модели высотой до 75 см.
Струйная 3D-печать
Струйная технология 3D-печати аналогична принципу работы обычного струйного принтера. Вместо краски используют специальный пластик, который сначала нагревается и плавится, затем наносится на основу микроскопическим слоем, и очень быстро застывает. Этот метод печати обычно называется методом лазерного спекания (SLS), и наряду с более выгодной по стоимости по сравнению с SLA-технологией, плюсом является возможность делать трехмерные модели из металла. Принцип работы 3D-принтера на основе технологии спекания дает возможность использовать для основы в качестве порошка различные полимерные материалы, а также керамику или стекло. Еще одно преимущество такого метода – некоторые модели принтеров позволяют в используемый клей добавлять краску, что позволяет создавать разноцветные модели.
Инновации и постоянное развитие 3D-печати создает дополнительные возможности не только для дизайнеров, но и для различных областей медицины, промышленного производства и многих других. Ведь с помощью такого устройства любую идею можно воплотить в реальную модель или прототип.
На мировом рынке всё большую популярность приобретают домашние 3D принтеры - это специальное устройство, которое позволяет выводить трёхмерную информацию, т.е. создавать физические объекты, в отличие от обычного принтера, который может выводить двухмерную информацию на листе бумаги краской. В основе 3D-печати лежит принцип послойного создания твёрдой модели.
3Д-принтеры успешно конкурируют на рынке с другими технологиями изготавливающими макеты из пластика, а также намного быстрее справляются с производственными задачами.
Что касается цен, то на сегодняшний день эти устройства стали более доступными для каждого, у кого есть желание пользоваться 3D-принтером в домашних условиях, к тому же они довольно-таки компактные на сегодняшний день. Предлагаем к рассмотрению варианты лучших моделей на производственных рынках.
Обзор лучших 3D принтеров
Домашний принтер для всей семьи, отличающийся компактностью, привлекательным дизайном и простотой использования - это Cube 3D. Он отлично подходит для развлечения и создания сувениров.
Программное обеспечение принтера Cube 3D. автоматически адаптируется к операционной системе на компьютере после подключения через USB. Преимуществом данной модели является простота использования и настройки, а также возможность передавать данные по Wi-Fi. Для печати используется специальный пластик ABS. Область печати составляет 14х14х14 см, масса - 4,3 кг (без картриджа). У него только одна печатающая головка, что выдаёт толщину слоя 250 микрон (0.25 мм). Одного картриджа хватает на 13-14 моделей средних размеров.
Основные преимущества:
- простота установки программного обеспечения;
- толщина слоя составляет 0,2мм.
Видео как работает Cube 3D Printer:
Следующий аппарат, предлагаемый вашему вниманию - это Cube X. Серия принтеров CubeX (Duo, Trio), модели, как вы поняли, отличаются только количеством печатающих головок, они значительно дороже предыдущих моделей, тем не менее, достаточно популярна среди потребителей России и других стран.
Cube X. опережает своего предшественника Cube 3D по технологическим характеристикам, т.к. может создать модель не в виде сувенира, а воссоздать любой предмет в натуральной величине. Данная модель 3D принтера печатает только в одном цвете, тем не менее, цветовая гамма богата оттенками, и это спасает ситуацию. Одна печатающая головка в Cube X, две головки в Cube X Duo и три в модели Cube X Trio. Область печати 27.5х26.5х24 см, для печати используется пластик PLA. Вес без картриджа составляет 36 кг.
Основные технические характеристики модели:
- скорость печати 54 см3 в час (15 куб.мм в секунду, всё зависит от материала);
- точность печати (0,1 мм);
- автоматически устанавливается программное обеспечение;
- есть возможность передачи данных по Wi-Fi.
Видео работы принтеров серии Cube X:
3. 3Д принтер UP!
Фото UP! Plus
Наиболее дешёвый и простой в использовании - это серия UP! 3D принтеров (Plus, Plus 2 и Mini), отличаются дизайном, размерами и мелкими техническими характеристиками. Данный прибор выступает незаменимым устройством дома, для работы следует установить на компьютер программное обеспечение UP! Software, и всё готово к использованию. Вы можете печатать модели любой сложности, т.к. этот 3Д принтер автоматически определяет неустойчивые места и создаёт под них опоры, после печати они легко отсоединяются от основного объёма. Область печати данного устройства - 24х26х35 см, масса - 5 кг (модель Mini весит 6 кг.). Количество головок у всей линейки - 1. Для печати используется ABS пластик.
Фото UP! Mini
Основными характеристиками являются:
- высокая скорость печати (0,15мм);
- распознавание формата STL, сохранение в формате UP3;
- просмотр 3D.
Видео - демонстрация работы UP! 3D Printer Plus:
Следующий домашний 3Д принтер - Felix 2.0 - достойный аппарат от компании FelixPrinters. Благодаря небольшому размеру устройства, данная модель очень удобна в использовании в домашних условиях. Преимуществом Felix 2.0 является высокая точность работы и качество изобретаемых изделий. Также он оснащён подогреваемым столом, чтобы изделие равномерно остывало.
Размеры устройства 45х50х53 см, масса - 6,7 кг.
Основные технические характеристики:
- область печати 25, х20,5х23,5 см;
- скорость печати 54 см3 в час;
- толщина нити - 1,75 мм;
- используемое программное обеспечение: Repetier Host, Slic3r Pronterface;
- формат исходных, электронных файлов - .STL;
- работает при помощи ОС Windows;
- максимальная температура печати 280 °C;
- энергопотребление - блок питания FlexATX, 12В 250Вт.
Видео 3D printer Felix 2.0 в работе:
5. Picaso Builder
Picaso Builder - принтер, который может применяться при создании скульптур, архитектурных макетов, прототипов промышленного дизайна, подарков, сувениров и так далее, используя технологию струйной печати. Отличное решение, как для новичков трёхмерной печати, так и для профессионалов.
Технические характеристики 3D принтера Picaso Builder:
- масса без картриджа - 6,5 кг;
- размер без картриджа - 47?42,2х44,1 см;
- расходными материалами является пластик PLA или ABS;
- область печати - 20?20?20 см;
- одна головка.
- механизм подачи не забивается материалом для производства макета;
- скорость печати - 25 см в час;
- толщина слоя очень маленькая и составляет 100 микрон (0,1мм);
- толщина стенки 190 микрон (0,19 мм);
- поддержка ОС Win/Mac, программное обеспечение Poligon (на русском языке).
Видео: как работает Picaso Builder
Для создания необходимых моделей вручную может понадобиться несколько недель и даже месяцев, в результате увеличиваются сроки выпуска продукции и повышаются затраты на разработку. С помощью 3D-принтеров можно за несколько часов создать модель изделия и избавиться от ручного труда, исключая вероятность ошибок присущих человеку. Самое главное это незаменимый помощник в доме для создания замечательных сувениров, подарков, деталей крепления и не только. Прекрасный друг и товарищ вашему ребёнку и финансово доступный агрегат! Но перед тем как его купить, почитайте нашу статью: « для здоровья окружающих во время его работы».
Сегодня смело можно утверждать: без технологии 3D-печати современную цивилизацию представить невозможно, и вряд ли можно назвать другую так стремительно развивающуюся технологию.
По страницам истории
По мнению многих компьютерных экспертов, родоначальником 3D-печати и разработчиком первого еще обычного принтера стал англичанин Бэббидж. В 1822 году он приступил к созданию так называемой «большой разностной машины», предназначенной для производства расчетов и их распечатки. Как все великое, идеи Бэббиджа намного опередили свое время и, спустя 20 лет, так и не реализованный, проект был закрыт.
Большая разностная машина Бэббиджа
Прошло более 100 лет, прежде чем была предпринята вторая на сей раз более удачная попытка создания принтера. Первый черно-белый принтер увидел свет в 1953 году. Минуло еще 23 года и компания IBM создает первый струйный цветной принтер. Сегодня количество принтеров в офисах и других организациях уступает разве что числу компьютеров.
Во второй половине 80-х годов происходит очередной технологический прорыв. В 1986 году американец Чек Халл сформулировал концепцию трехмерной печати, а через два года его соотечественник Скот Крамп на ее основе разработал технологию FDM — формования через декомпозицию плавящегося материала. Все ныне действующие трехмерные принтеры своим появлением обязаны именно ей.
Как работает 3D-принтер
По сравнению с печатным принтером, переносящим электронный текст на плоскую бумагу, 3D-принтер имеет дело с трехмерной информацией. Одним словом, он воссоздает объект таким, какой он есть.
Как же печатает 3D-принтер? Вначале создается цифровая модель объекта на компьютере с помощью специальной программы. Она как бы «расчленяет» модель на слои, после чего в действие вступает принтер. Как и у его печатающего «собрата», у 3D-принтера есть свои чернила, правда, состоящие из композитного порошка.
Около 10 лет назад использовался всего лишь один вид «чернил» — пластик АВС. Сегодня их уже более сотни – полипропилен, бетон, целлюлоза, нейлон, металлические порошки, гипс, шоколад и множество других.
В процессе работы исходный материал превращается в массу, которая наносится слой за слоем на рабочую поверхность через специальное сопло. После нанесения очередного слоя поверх него может накладываться клеевое покрытие, затем снова слой «чернил». И так до полного воспроизводства объекта. Работу 3D-принтер можно посмотреть на видео.
Но это общий принцип работы 3D-принтера, так называемая технология быстрого прототипирования. На ее основе разработано несколько способов. Вот лишь некоторые из них.
Стереолитография (SLA)
Одна из первых технологий 3D-печати. В качестве строительного материала используется смесь жидкого полимера с реагентом-отвердителем, чем-то похожая на эпоксидную смолу. Полимеризация и последующее отвердение смеси происходит под действием ультрафиолетового лазера.
Модель формируется тонкими слоями на подвижной подложке с отверстиями, прикрепленной к микролифту-элеватору, который перемещается вверх или вниз на глубину одного слоя. Во время погружения в жидкий полимер луч лазера фиксируется на местах, подлежащих отвердению. Как только один слой сформирован, заготовка поднимется (опускается).
Данная технология разработана в компании 3D Systems. Она имеет очень много общего с технологией струйной печати. Особенность устройства и принцип работы этого 3D-принтера состоит в том, что здесь задействовано несколько (до нескольких сот) сопел, расположенных рядами на печатающей головке.
Чернила становятся жидкими посредством нагревания и после послойного нанесения на рабочую поверхность при комнатной температуре застывают. Головка перемещается в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение по мере формирования каждого нового слоя осуществляется за счет опускания рабочего стола.
Выборочное лазерное спекание (SLS)
Настоящим прорывом стало внедрение технологий 3D-печати в металлообработку. Как же работает ? Особенностью этой технологии является то, что функцию рабочей жидкости выполняет композитный порошок, состоящий из частиц диаметром от 50 до 100 мкм. Порошок наносится горизонтально равномерными тонкими слоями, а на завершающем этапе определенные участки спекаются лазерным лучом.
Одно из главных достоинств лазерного спекания – уникальная экономичность и практически полная безотходность по сравнению с традиционными механическими методами обработки металла – сверлением, фрезеровкой, резанием, литьем и другими, а также минимальная финишная обработка.
Необходимое условие лазерного спекания – азотная среда с минимальным содержанием кислорода, поскольку процесс протекает в условиях высоких температур.
Этим перечень технологий 3D-печати далеко не ограничивается. Его дополняют послойное склеивание пленок, послойное наплавление, послойная печать расплавленной полимерной нитью, ультрафиолетовое облучение через фотомаску.
Что бы еще напечатать
Выяснив, как работает 3D-принтер, впору поведать о том, что сегодня можно сделать с его помощью. Подобно модной и очень удобной одежде, его «примеряют» на себя представители самых различных направлений науки и промышленности. Как оказалось, напечатать можно практически все от ширпотреба из пластика, до солнечных батарей, деталей для реактивных двигателей и медицинских протезов.
На технологию 3D-печати «положили глаз» военные и строители. Не так давно на борт МКС был доставлен разработанный по заказу NASA 3D-принтер, с помощью которого в условиях невесомости было изготовлено несколько необходимых инструментов. Вполне возможно, что таким образом во время будущей марсианской миссии отдельные запчасти придется изготавливать прямо на борту космического корабля.
Рассматривается также вариант возведения марсианских домов методом 3D-печати, для чего с Земли туда будут доставлены специальные строительные принтеры. Основой «чернил» для них станет марсианский грунт.