Как работает три д принтер

Как работает 3D принтер: объяснение на простых примерах

3D-печать распространена повсеместно. Она позволяет создать что угодно — от прототипов всевозможных изделий, до функциональных частей реактивных двигателей самолетов и космических аппаратов, от канцелярских принадлежностей и автозапчастей, до шоколадок и сувениров.

Но, как именно работают 3D-принтеры, как они создают трехмерные объекты любой возможной формы — знают еще не все. Если вы хоть раз задавались этими вопросами, то перед вами — самое простое объяснение 3D-печати.

Общие принципы 3D-печати

Принцип 3D-печати по любой существующей технологии — создание объемных объектов из совокупности плоских слоев.

Цифровая модель изделия разделяется на слои специальной программой — слайсером, а принтер печатает эти слои, один на другом, составляя из них трехмерный объект. Так, из множества слоев, получается объемная деталь.

Общий принцип один, но технологии различаются; самая распространенная и доступная среди них — FDM.

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

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

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.

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 компании Stratasys.

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

Заключение

Прочитав эту статью, вы ознакомились с принципами и примерами работы 3D-принтеров функционирующих по самым распространенным технологиям.

Существуют и другие технологии, в основном — связанные с 3D-печатью металлами, но они используются только в промышленности. О них мы поговорим отдельно.

Чтобы выбрать 3D-печатное оборудование и материалы для любых задач обращайтесь в Top 3D Shop — проконсультируем, подберем максимально подходящую технику и расходники, оформим заказ, доставим, установим и научим.

Как работают 3D принтеры

Сегодня в kak_eto_sdelano репортаж о том, как устроены и работают 3D-принтеры.

Немного расскажу об истории возникновения этих удивительных станков будущего. Первый 3D-принтер появился на свет более 30 лет назад, в 1984 году. Его изобрел Чак Халл, основатель крупнейшей в мире компании “3D Systems” – лидера в области производства 3D-принтеров. С тех пор технологии в этой сфере шагнули далеко вперед и возможности таких аппаратов значительно расширились. Сейчас 3D-принтеры могут напечатать практически что угодно из чего угодно. Размер создаваемой вещи ограничен лишь рабочей площадью принтеров, однако и эта проблема решаема – есть специальный суперклей, которым склеиваются детали будущего изделия.

Но обо всем по порядку. Принтер подключен к компьютеру, который задает ему задачу распечатать с подготовленной в специальной программе 3D модели будущее изделие. Этот 3D-принтер использует для печати композитный материал на основе гипса, который позволяет печатать с высоким разрешением, воспроизводя до 6 млн. оттенков.

Принцип работы таков – в принтере есть емкость, в которую тонким слоем насыпается мелкодисперсный порошок, выравнивается, над ним проезжает каретка с картриджем и распыляет отвердитель разного цвета на нужные участки. Опять засыпается слой порошка, выравнивается, наносится связующее вещество с краской, и так много раз. Слои настолько тонкие, что под ним видны предыдущие.

Слой за слоем повторяется операция, и дно камеры постепенно уходит вниз. Чтобы напечатать 3D модель требуется до нескольких часов, в зависимости от сложности изделия.

Сегодня мы будем печатать персонифицированный 3D-чехол для 4G модема Yota, сделанный из гипсового композита с частицами метеорита. Да, теперь можно печатать и такие интересные вещи.

Здесь видно, сколько слоев на данный момент напечатано.

Это видео показывает наглядно, как происходит процесс печати.

Но пока идет процесс (он будет длиться около часа) мы посмотрим какие вещи можно напечатать на подобном принтере, расскажу какие принтеры существуют и какие технологии используются на данный момент.

Одна из технологий позволяет сделать 3D модель человека и напечатать вот такие фигурки. Хороший подарок на юбилей, товарищ Сталин одобряет.

Головы одного политика. Думаю вы сами догадались кто это.

И другие интересные фигурки.

Скульптура сделанная руками человека и скульптура напечатанная 3D-принтером.

Любое предприятие теперь может создать прототип какой-то детали на 3D-принтере, и это будет гораздо быстрее и дешевле, чем производить образец традиционными способами. Вот это, например, напечатанный прототип детали двигателя.

Но свое развитие станки будущего начинали с принтеров, о которых мы расскажем ниже. Этот принтер для печати использует пластик. Технология FDM (Fused Deposition Modeling) – послойное нанесение расплавленной пластиковой нити.

Пластик может быть самых разных цветов.

Принтер работает не от картриджа, а от обычных катушек пластика, подсоединённых к нему в том виде, в котором они и продаются. Пластиковая нить заправляется в экструдер, там нагревается и печатающая головка наносит материал на движущуюся платформу.

Это более современный аналог, который можно купить домой. Если цены на домашние 3D-принтеры начинаются от 35 тыс. то этот стоит 165тыс.

Принтер чуть дороже. Виды пластика у них примерно одни и те же. Этот принтер отличается большой областью построения среди домашних 3D-принтеров.

На подобном принтере можно напечатать меч джедая. Причем он складывается.

Или обычный меч. Так как размеры принтера не позволяют напечатать длинные или крупные изделия, то они печатаются частями и затем склеиваются.

Эти маски тоже напечатаны на таком принтере.

Не узнаю вас в гриме, Иннокентий Смоктуновский? Кто узнал персонажа?

Далее наш рассказ будет о принтерах другого типа. Принтер ProJet 6000 работает по технологии SLA (стереолитография) Кстати, эту технологию изобрел Чак Халл. В нем затвердевание фотополимера происходит за счет ультрафиолетовой вспышки лазера.

При печати практически любых моделей существует необходимость поддерживать выступающие, нависающие части выращиваемой модели и для этих целей используется сам материал из которого идет печать.

А здесь уже происходит очистка изделия, промывание, удаление поддержек.

Как мне рассказали, технология 3D-печати настолько продвинулась в последнее время, что существуют принтеры, которые могут печатать чем угодно, начиная от шоколада, заканчивая металлом и песком!

На этом видео к примеру, видно, что принтер печатает как пластик, так и резину.

На этом видео показан уникальный принтер работающий автономно от солнечных батарей. Автор проекта в качестве материала использовал песок, который набирал тут же в пустыне. Вместо лазерных лучей он использовал большую линзу Френеля, которая концентрировала солнце в точку и плавила песок. В качестве насыпающего и выравнивающего устройства выступал сам автор проекта. Координатная система принтера и компьютер, как я сказал ранее, работали от солнечных батарей. В течении нескольких часов нахождения в пустыне он сделал непонятную хреновину и чашу.

Этот принтер печатает из металлической крошки. Частицы порошка спекаются между собой лазером, после чего еще в течении суток лоток остывает. Однако изделие хрупкое, спекание металлических частиц не дает прочность изделию, оно достаточно пористое и может поломаться в руках, потому его еще раз обрабатывают в специальной печи, уложив в другой лоток с другим металлическим порошком, который заполняет поры и делает его достаточно прочным.

В Шанхае при помощи 3D-принтера печатают дома!

В этом видео можно увидеть другие возможности 3D-печати, от печати пирожных, до оружия и протезов. Сейчас активно исследуется возможность печати отдельных органов для человека.

Пока мы ждем окончания печати чехла для модема Yota, нам показали другие вещицы, которые выставляются на различных выставках.

Вот такую удивительную штуку напечатали из полиамида. Ее особенность в том, что все детали в ней движущиеся. Причем ее не склеивали из различных частей, она была напечатана за один раз.

Сделал гифку, чтобы показать ее в работе.

Изделия из других материалов.

Но мы возвращаемся к своему принтеру, который заканчивает печать чехла для модема.

Осталось допечатать всего 43 слоя.

После того, как все закончено, специальным пылесосом, который подключен с самому станку собирается весь порошок. Он опять пойдет в дело при очередной печати, так что можно сказать, что производство безотходное.

В соседней кабинке сжатым воздухом и мягкой щеточкой чехол очищается от порошка.

Осталось только пропитать его специальным клеем, который заполнит все поры и сделает его прочнее.

А это порошок из метеорита, который добавляется при печати этих чехлов.

Вот и все, чехол для модема готов.

12 апреля, в День Космонавтики, мобильный оператор Yota запустил эксперимент с 3D-печатью и предложил своим клиентам возможность заказать вместе с модемом персонифицированный чехол, сделанный из высокотехнологичного композита с частицами метеорита.

Сделать заказ можно можно на странице 3d.yota.ru при покупке 4G-модема. Пользователь сам может создать дизайн чехла на сайте, отсекая виртуальные грани композита с помощью кликов и вписывая в образец надпись. Доставка чехлов вместе с модемами производится в Москве в пределах МКАД.

По словам представителей Yota, метеорит, используемый в эксперименте, был найден в 2005 году в Магаданской области. Осколок относится к типу железокаменный метеоритов и предположительно является фрагментом метеорита Сеймчан.

Теперь и вы знаете, как устроены и работают 3D принтеры.

Спасибо мобильному оператору Yota и их партнеру, центру 3D-технологий 3D.ru за организацию экскурсии!

Жми на кнопку, чтобы подписаться на “Как это сделано”!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану (shauey@yandex.ru) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс, где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!

Что такое 3D-печать и как устроен 3D-принтер

Технологии 3D-печати или аддитивного производства обрели популярность совсем недавно, хотя первые методы появились на свет еще в середине 80-х годов прошлого века. Назначение 3D-принтеров для многих людей до сих пор остается загадкой, хотя ничего сложного на самом деле нет: это самые настоящие автоматизированные фабрики, способные самостоятельно производить изделия практически любой формы.

3D-принтеры применяются для самых разных задач. Изначально технологии 3D-печати получили название «быстрое прототипирование» и использовались, как можно догадаться, для изготовления прототипов и макетов. Нынешние, усовершенствованные технологии и материалы позволяют печатать уже не просто макеты, а вполне функциональные изделия, пригодные для повседневной эксплуатации: титановые имплантаты и лопатки газовых турбин, пластиковые игрушки, сувениры и корпуса бытовых приборов и гаджетов, керамическую посуду и даже бетонные строительные конструкции. Главным преимуществом 3D-печати над традиционными производственными технологиями считается принцип «прямого производства»: готовые изделия печатаются напрямую с цифровых моделей, в то время как для того же литья под давлением необходимо сначала изготовить дорогостоящую оснастку.

Принцип работы

Методов 3D-печати великое множество, но всех их объединяет общий принцип обработки цифровых моделей: для того чтобы 3D-принтер мог разобраться со сложной трехмерной структурой, цифровая модель разделяется на поперечные срезы, толщина каждого из которых соответствует толщине одного слоя. Представьте себе стопку бумаги, где каждый лист выполняет роль печатного слоя: если каждый лист вырезать по индивидуальному шаблону и вновь сложить в стопку, то получится трехмерный объект заданной формы. Собственно, именно так, вырезая и склеивая листы бумаги, работают 3D-принтеры по технологии LOM, выпускаемые компанией Mcor.

Разница же заключается в методах изготовления слоев и используемых материалах. Так, в стереолитографии (SLA ) применяются жидкие фотополимерные смолы, отверждаемые лазером, а в селективном лазерном спекании ( SLS ) те же лазеры используются для спекания частиц различных порошков – металлических, полимерных или керамических. Самое же широкое распространение получила технология «моделирования методом послойного наплавления», известная под аббревиатурами «FD» и « FFF ». Популярность этого метода объясняется простотой и дешевизной как самих печатающих устройств, так и расходных материалов. В качестве сырья используются всевозможные пластики и композиты на полимерной основе, а FDM-принтеры представляют собой максимально упрощенные станки с числовым программным управлением.

В качестве материала используется тонкая пластиковая нить или «филамент», а роль печатающей головки играет «экструдер», состоящий из простого зубчатого механизма, проталкивающего пластиковый пруток в разогретую трубку («хотэнд») и выдавливающего расплавленный пластик через сопло. Расплавленной нитью можно вычерчивать один слой за другим, пока не образуется трехмерная физическая модель. Необходимо лишь устройство, которое будет приводить головку в движение по заданному алгоритму.

Это устройство и называется 3D-принтером. Простейшие настольные 3D-принтеры состоят из шасси, служащего основой для направляющих, по которым передвигается печатающая головка и/или платформа, на которой выполняется построение. В обычном офисном принтере, печатающем на листе бумаги, необходима возможность позиционирования в двух измерениях: как правило, головка движется из стороны в сторону, а сам лист бумаги постепенно протягивается, строка за строкой. Если же мы строим трехмерную модель, то необходимо добавить и третье измерение в механизм позиционирования – так, чтобы можно было ориентироваться не только по ширине и длине, но и по высоте.

Головка и платформа устанавливаются на направляющие и приводятся в движение электромоторами. Порядок работы электромоторов, определяющий движение головки и подачу материала, закладывается в специальный программный код (т.н. G-код). Код вырабатывается автоматически с помощью специальных программ, называемых «слайсерами»: такие приложения берут нарисованные в графических редакторах трехмерные виртуальные модели, а затем разделяют их на слои и конвертируют каждый слой в серию команд, необходимых для построения физического аналога. Головка постепенно вычерчивает каждый слой, выдавливая расплавленный пластик на платформу или нанесенные ранее слои. После окончания слоя головка поднимается (или, наоборот, платформа опускается) на высоту одного слоя, и процесс начинается заново, только с использованием очередного шаблона.

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.

Расходные материалы

Одним из самых привлекательных факторов FDM-печати остается огромное разнообразие относительно недорогих расходных материалов. Два наиболее популярных пластика АБС(акрилонитрилбутадиенстирол) и ПЛА (полилактид). С первым вариантом знакомы абсолютно все из нас – это наиболее широко используемый промышленный пластик, из которого изготовлена ваша любимая кофемолка, шариковая ручка, защитный кожух смартфона и множество других бытовых вещей. Второй же представляет собой экологичную альтернативу, будучи органическим, биоразлагаемым полимером, изготавливаемым из кукурузы или сахарного тростника. Пусть ПЛА и не так долговечен, его можно смело выбрасывать в мусор, так как под воздействием среды через несколько месяцев полилактид превратится в безвредный компост.

Но при желании можно печатать и другими материалами: такими популярными термопластами, как поликарбонаты и нейлон. Филамент можно даже изготавливать в домашних условиях, используя в качестве сырья пустые контейнеры из ПЭТФ: из этого материала изготавливаются бутылки для газированной воды и пива.

Существуют и эластичные варианты, имитирующие резину – такие, как NinjaFlex. А если «пластиковый» образ вам не по душе, то можно попробовать композиты на основе ПЛА с добавлением различных наполнителей: песчаника, металлической пыли и даже древесины. Конечно же, физические и механические характеристики таких композитов несравнимы с настоящим камнем или сталью, но если вместо внешнего сходства вам необходима именно прочность и износоустойчивость, то всегда можно попробовать специальные композиты, армированные углеволокном.

Остается лишь выбрать 3D-принтер по душе, что может быть нелегким делом ввиду растущего разнообразия: серьезные дизайнеры могут выбрать относительно большие устройства с двумя-тремя печатающими головками, в то время как для начинающих пользователей доступно множество простых в эксплуатации моделей с относительно скоромными характеристиками, но высоким уровнем автоматизации и вполне доступными ценами. Некоторые наиболее бюджетные устройства можно приобрести всего за 200-300$, а цены на филаменты начинаются от 10$ за килограмм.

Для тех, кто хочет знать больше

• Почему 3D-принтеры придут в каждый дом или как я впервые пользовался 3D-принтером — первый опыт работы с 3D-принтером: подводные камни и первые навыки
• 12 полезных вещей, которые можно напечатать на 3D принтере — с чего стоит начать, если у вас появился 3D-принтер
• Как 3D-принтеры меняют нашу жизнь — что мы станем печатать на 3D-принтерах в ближайшем будущем
• 7 гаджетов, которые должен попробовать каждый — что еще стоит попробовать лично помимо 3D-принтеров
• 10 роботов на солнечных батареях, которые можно собрать вместе с детьми — простые и доступные конструкторы, позволяющие приобщить детей к современным технологиям

Подписывайтесь на наш нескучный канал в Telegram, чтобы ничего не пропустить.

3D-принтеры: зачем они нужны и как они работают

Поскольку обычные 2D-принтеры уже утратили потенциал к развитию — развито уже всё, что только можно и нельзя — пора обращать взоры к печати в трёхмерном пространстве. Признайтесь, ведь вы не раз мечтали, чтобы можно было не покупать себе вещи, а просто напечатать их. И сегодня это уже можно, правда, с массой оговорок.

3D-принтеры сегодня в моде. Выпущено уже несколько сотен моделей, только это ни о чем не говорит: все они работают в основном по одному и тому же принципу, и даже «фирменное ПО» используют одинаковое, отличающееся подчас только цветом кнопочек. Подчеркиваем, что мы говорим о моделях дня сегодняшнего: такие принтеры быстро эволюционируют, и уже завтра (или через месяц) может выйти на рынок что-нибудь революционное и сногсшибательное.

Итак, что же такое 3D-принтер для домашнего использования? Это устройство, использующее метод послойного изготовления физического объекта из виртуальной 3D-модели. Первые принтеры такого типа появились еще лет 30 назад, и на сегодняшний день представлены десятком разных типов. Перечислять мы их не будем, а пристальное внимание обратим на один, самый доступный обычному пользователю тип сегодня: FDM 3D-принтер. FDM расшифровывается как «моделирование методом наплавления» (Fused Deposition Modeling).

Принцип действия FDM-принтера прост: раздаточной головкой на поверхность охлаждаемой платформы-основы выдавливаются капли находящегося в разогретом состоянии термопластика. Быстро застывая и слипаясь между собой, капли формируют слои создаваемого объекта. Так и получается в итоге объемный предмет, с которым потом что-нибудь можно сделать.

Зачем?

Первое, что нужно для себя понять — а зачем, собственно, нужен 3D-принтер? Что мы хотим — просто развлекаться и создавать модели и макеты? Использовать принтер для ведения бизнеса? Воплощать творческие фантазии? Бизнес, конечно, оценил 3D-печать давно: такие мировые промышленные гиганты, как Airbus, Boeing, General Electric, Ford, Siemens, NASA используют их постоянно; и это не говоря уже об инженерах, ученых, медиках и огромном количестве мелких предпринимателей.

Дома 3D-принтер открывает широчайшие возможности использования и применения своей фантазии, и поскольку самые дешевые модели стоят от 20 тыс. рублей и выше, они доступны практически каждому человеку с компьютером.

Применений на самом деле можно найти массу. Кто-то задумает сделать себе стол с макетами, воссоздающие какую-нибудь область реально существующую или фантастическую (скажем, поверхность планеты из «Звездных войн»). Кто-то напечатает себе солдатиков и вспоминает детство. А кто-то печатает паззлы детям, придумывая все новые и новые варианты. К тому же можно создать работоспособный макет чего-то более сложного.

А один индивидуум вообще напечатал себе пластиковый и полностью работоспособный пистолет, который не виден на металлодетекторах. В связи с этим законники некоторых стран уже начинают беспокоиться на тему срочного внесения поправок в соответствующие законы, дабы не превратить новую технологию в оружие массового уничтожения (хотя Форд тоже не отвечал за то, что кто-то совершал ограбления, пользуясь его машинами).

В общем, резюмируя, можно выделить несколько основных преимуществ 3D-принтеров: домашнее творчество, использование более сотни различных типов материалов (не только огромное количество самых разнообразных пластиков и полимерных смол, но и металлы, бумага, керамика, ткань, пищевые продукты, соль, лунный и марсианский грунт и даже живые клетки!), универсальность и снижение трудоёмкости (один принтер может заменить несколько сложных агрегатов), простота в использовании (об этом мы поговорим далее), экономичность, быстрота создание объектов и гибкость технологии.

Кстати, в сферу применения можно включить и медицину: инновационная биомедицинская печать сможет предложить в ближайшем будущем искусственные органы и ткани тела, а сегодня уже можно печатать протезы и хирургические имплантаты.

Предположим, вы купили себе 3D-принтер, он стоит и занимает места примерно столько, сколько обычный принтер (или, скорее, МФУ), и далее нужно создать в специальной программе объект для печати. А программ таких множество: Google SketchUp, 3DCrafter, 3Dtim, BRL-CAD, FreeCAD и другие (тысячи их). Желательно, конечно, хоть что-нибудь понимать в CAD-моделировании, но и без этого программы достаточно просты для применения даже новичками.

После смоделированной 3D-версии наступает время её обработки специальной программой (называемой также «слайсером» или «генератор G-кода»). Исходный объект делится на множество тонких горизонтальных слоев и преобразуется в некий цифровой код, понятный 3D-принтеру. Другими словами, генератор создает набор команд, которые указывают 3D-принтеру, как и куда нужно наносить материал при 3D-печати данного объекта. Для пользователя данный этап работы не скажет ничего, потому что фактически принимать участие в нем он в нем не сказать чтобы будет.

А потом наступает волнительный момент печати (кстати, в Windows 8 есть даже поддержка драйвера 3D-печати для принтера MakerBot). Начинается построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала.

Сам по себе процесс довольно прост. В самом начале рабочая платформа находится в верхнем положении, а печатающая головка накладывает на неё нижний слой объекта. После того, как сформирован первый слой, рабочая платформа опускается на толщину слоя, и печатающая головка накладывает новый слой материала на предыдущий. Данный цикл повторяется до последнего слоя, то есть до момента завершения создания объекта.

Висящий в воздухе подбородок Ленина был напечатан на недорогом 3D-принтере с подпоркой,

которая в дальнейшем будет отломана, а подбородок – подрихтован.

Если же есть необходимость напечатать висящий в воздухе объект (например, гарцующую лошадь), то сегодня для таковых используется разнообразные подпорки, которые после завершения процесса отламываются или отрезаются, а место стыка шлифуется вручную. В дорогих (то есть хороших) принтерах для подпорок используется водорастворимый материал: после печати модели опускается в воду, где лишние подпорки растворяются.

Параметры печати

О скорости пока речь и не идёт. Понятно, что создание одного объекта займет далеко не один час работы принтера, поэтому выбор 3D-принтера сегодня состоит в выборе между параметрами и решении, насколько тот или иной параметр важен.

И самый главный из них — разрешение печати. Здесь под этим понятием подразумевается минимально допустимая высота слоя материала, с помощью которого может печатать данный 3D-принтер. Разрешение печати принято обозначать в микрометрах (мкм, микрон, тысячной доле миллиметра). Понятно, что чем тоньше слои, тем меньше заметен переход между ними: в итоге поверхность объекта более гладкая, а детали — более выразительные. Обратная сторона высокого разрешения — увеличенное время печати, большая нагрузка на печатающие механизмы и быстрый износ. Разрешение печати зависит от технологии работы принтера, точности печатных механизмов, выбранного материала и настроек приложения.

На сегодняшний день самый точный 3D принтер может печатать с высотой слоя в 50 мкм.

Вторая важная характеристика — рабочий объём (он же — «область печати» или «зона печати»). От него зависит размер напечатанного объекта. Фактически он обозначает зону досягаемости (охвата) печатающей головки принтера в трех плоскостях.

Третий пункт — какими типами пластиковых нитей может печатать принтер. Самыми распространенными на сегодняшний день являются ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полилактид). Некоторые принтеры могут печатать обоими типами, некоторые — только одним из них. Но кроме этих двух типов есть и другие (ещё парочка самых распространенных — HIPS — ударопрочный полистирол и PVA — поливинилацетат), и все они обладают рядом физико-химических характеристик: растворимость в воде, гибкость, структура и запах, прочность и даже свечение в темноте. Возможность печати тем или иным пластиком обуславливается наличием/отсутствием подогрева платформы (который в идеале должен присутствовать), рабочим диапазоном температур экструдера (нагревательный элемент, который плавит пластик) и конструкцией камеры для печати. В идеале лучше всего выбирать принтер с максимальным количеством поддерживаемых нитей, чтоб не ограничивать себя — как сейчас, так и в будущем.

А последний пункт, как ни странно, — страна-производитель. Сейчас на российском рынке можно найти модели из США и Европы, китайские и российские. Американские и европейские модели зачастую завозят в Россию небольшими партиями, а сами компании-производители не имеют официальных представителей в России. Качество китайских моделей на порядки отстаёт от всех прочих, понятное дело, и тут выигрыш идёт больше уже в цене.

Производители

Помимо китайских и кустарных принтеров (да, его реально собрать дома самостоятельно), есть несколько моделей, которые популярны больше остальных, и поэтому их поддержка программным обеспечением максимально широка, если можно так говорить о столь новой области. На сегодняшний день это модели MakerBot Replicator 2, PrintBox3D One, Picaso Designer, UP Plus 2, Cube и CubeX. Отличия у каждого из них сводятся к перечисленным в предыдущем параграфе пунктам, размерам камеры и различным дополнительным опциям наподобие Wi-Fi-модуля. Помимо этих моделей, есть, конечно, и другие, но опять-таки нельзя сказать, что они сильно отличаются с технической точки зрения: всё-таки это больше страна-производитель, размеры, скорость печати и количество поддерживаемых типов пластика.

Вот такие они, поворотные принтеры

Напоследок нужно сказать про поворотные 3D-принтеры. Они пока что совсем никакой популярностью не пользуются, но у них есть всё-таки ряд существенных преимуществ по сравнению с «традиционными» 3D-принтерами — если последние можно так назвать. Главное из них — 3D-принтер с поворотной платформой обеспечивает больший рабочий объем по сравнению с устройствами, работающими в декартовой системе координат. Такой принтер использует полярную систему координат (радиус и угол), чтобы рассчитать движение печатной головки: система автоматически конвертирует модели, созданные в декартовой системе координат, в полярные координаты. Поэтому с подобным 3D-принтером можно использовать стандартное ПО, использующееся в «традиционных» 3D-принтерах без поворотной платформы. Физически это выглядит вполне очевидно: платформа вращается, а его экструдер движется по радиусу платформы от её центра к краю. Такая конструкция в два раза сокращает путь экструдера и снижает необходимость его поддержки.

Недостатки 3D-принтеров

Минусы есть у всего, и 3D-принтеры — не исключение. Поэтому на сегодняшний день у технологии существует определенное количество недостатков.

И первый из них — это, наверное, размеры печати. Вы видите на фотографиях «шкафчики» этих принтеров — и вот именно ими всё и ограничивается. Принтер может напечатать только то, что поместится на платформе. А что-то больше этого — разве что по частям, а затем части придется тем или иным образом склеить. И даже несмотря на то, что уже сейчас существует прототип 3D-принтера, размеры рабочей платформы которого практически не ограничены ничем, о массовом внедрении такой технологии говорить пока рано.

Второй недостаток касается самой технологии. Послойная структура сама по себе означает, что между этими слоями всегда будет некий рубеж, переход: поверхность останется матовой и шероховатой. Конечно, последующая обработка может «сгладить углы» во всех смыслах, но эта «доработка напильником» явно не говорит в пользу технологии. К тому же, слоистая структура означает меньшую плотность и, соответственно, меньшую прочность объекта, по сравнению с цельными деталями.

Третий недостаток — достаточно высокая цена 3D-принтеров на сегодняшний день. Они стоят от 20 тысяч рублей, а хорошая модель стоит в среднем 100 тысяч, и пока подешевение не ожидается.

Так покупать или нет?

Формально покупка 3D-принтера для дома сегодня оправдана только в том случае, если вы можете определить для себя сферу его применения. Выбор моделей достаточно широк, энтузиасты могут собрать принтер даже у себя дома, но тем, кто не хочет сильно рисковать, можно порекомендовать выбрать или одну из самых популярных моделей, которые поддерживаются распространенным и доведённым до ума программным обеспечением (и при этом можно выбрать из десятков приложений). Если же покупка такого необычного агрегата у вас не стоит остро, можно попробовать подождать годик-другой, пока технология не разовьётся достаточно для того, чтобы унифицироваться по максимуму и избавиться от массы неудобных ограничений, которые свойственны ей сегодня.

В любом случае, будущее у технологии весьма радужное и применение она себе уже нашла: а в будущем сферы применения будут только шириться.

Что такое 3D принтер? Принцип работы и виды. 3D-печать в России

Сегодня речь пойдет о 3D-принтерах – расскажем всё, что вы хотели бы знать: принцип работы, устройство, разновидности, а также затронем тему развития трехмерной печати в России.

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейно двигаться в трех измерениях. Приборы оснащают высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за порядок перемещения этих двигателей. Автоматизированная система передвигает печатающую головку, в нужный момент выдавливая материал (например, расплавленную пластмассу). Слой за слоем создается фигурка, изначально заложенная в программу. В основе лежит принцип работы «картезианского робота» (устройство, способное передвигаться по картезианским координатам, более известным каждому школьнику, как Декартовы координаты – X, Y, Z).

Примерная схема печатающей головки 3d принтера

Несмотря на кажущуюся сложность, все компоненты, используемые в 3D-принтерах, изобретены уже давно и активно используются в других областях. Устройство состоит из таких частей:

• Экструдер. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Состоит из термальной головки и привода, выдавливающего нить пластика. Работает так: в принтер заправляется катушка с нитью, привод разматывает и выталкивает ее, подавая к термальной головке (называемой также камерой). Головка обычно представляет собой нагреваемый алюминиевый элемент, который расплавляет нить. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие печатающей головки.
• Линейный двигатель. От его разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой оси координат используется отдельный гладкий стержень, работающий вместе с подшипниками. Подшипники бывают пластиковыми, стальными, бронзовыми и т.д. Бронзовые сложнее всего калибровать во время сборки, но зато они менее шумные.
• Фиксаторы. Чтобы линейные приводы не выходили за пределы рабочего поля, нужны ограничители – фиксаторы. На функциональность работы они не влияют, но их наличие делает печать значительно более точной и аккуратной. Встречаются модели с оптическими или механическими фиксаторами.
• Платформа. Поверхность размером 100-200 кв.мм., на которой будет создаваться готовая фигура. Производители обычно делают платформу подогреваемой – это нужно, чтобы не допустить трещин или разрывов на модели, обеспечить сцепление между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Площадка изготавливается обычно из алюминия или стекла – вещества с хорошей проводимостью тепла.

А теперь подробнее рассмотрим, как на 3D-принтере создается необходимая фигура.

Как происходит печать

В то время как обычный принтер способен лишь воссоздавать на плоской бумаге электронную картинку, трехмерный работает с более сложной информацией.

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.

Области применения 3D-печати

Технология нашла применение практически во всех сферах деятельности человека:

• образовании;
• архитектуре;
• науке;
• машиностроении;
• медицине;
• кулинарии;
• приборостроении;
• производстве одежды и обуви.

Например, в 2013 году ученые смогли напечатать на принтере ряд синтетических веществ, обладающих свойствами органических клеток и даже элементы живой ткани. Материалом выступали стволовые клетки. Тогда же в 2013 мир услышал об инновационном хирургическом устройстве BioPen, способном непосредственно во время операции наращивать ткани пациента.

А ученые из Великобритании выяснили, что в роли легкоплавкого материала хорошо себя показывает шоколад. В результате появилось устройство для кондитеров, позволяющее создавать необычные шоколадные фигурки для тортов или других блюд. Воплощение идеи заняло немало времени, так как по сравнению с пластмассой шоколад менее склонен держать форму. Но оснащение устройства специальными системами охлаждения и подогрева выровняло ситуацию. Такие приборы сейчас пользуются востребованностью в кофейнях, ресторанах, кондитерских магазинах и фабриках.

Шоколадный 3d принтер

После изобретения шоколадного 3D-принтера начали распространяться технологии и для других продуктов. Посмотрите на пиццу, напечатанную устройством от компании Foodini:

Пицца, распечатанная на 3d принтере

В архитектуре с помощью 3D-печати удобно создавать макеты зданий. Это в несколько раз дешевле и удобнее, чем традиционные методы.

Макет дома, распечатанный на 3d принтере

С развитием технологий трехмерная печать позволила разрабатывать даже очень крупные объекты – вплоть до автомобилей весом в несколько центнеров. Такой автомобиль напечатала компания Urbee, и в планах стоит его внедрение в массовое производство.

Автомобиль, распечатанный на 3d принтере

Российские разработки в области трехмерной печати

В России сфера довольно хорошо развита. Есть несколько крупных и множество мелких производителей, выпускающие 3D-принтеры в разных ценовых категориях. Остановимся подробнее на самых известных из них:

• Бренд PICASO 3D изначально завоевал популярность благодаря необычному дизайну своего первого принтера. Сегодня та модель уже не производится, но есть ряд других. не менее интересных. Последняя разработка компании – Designer X. Цена 149 000 рублей, и это оптимальная стоимость для его набора функций. Модель действительно включает в себя все самые современные технологии, при этом обладает надежностью и стабильностью. Позволяет реализовать абсолютно любые идеи, благодаря производительности печати до 100 куб.см в час и разрешению слоя от 0,01 мм.

3d принтер Designer X

• Бренд Magnum считается одним из основных конкурентов PICASO и производителем эталонных 3D-принтеров. Недавно у них вышла на рынок модель Magnum Creative 2 SW (127 000 рублей), это принтер с двумя экструдерами для двухцветной печати или смешивания оттенков. Отличие модели от других двухэкструденрных устройств в наличии технологии Switch, которая приподнимает сопло, когда оно неактивно. Это делает печать бесперебойной и облегчает подготовку заготовок для печати. Текучесть пластика улучшена путем внедрения двустороннего обдува высокой мощности.

3d принтер Magnum Creative 2 SW

• Компания IMPRINTA работает с 2013 года. На текущий момент продвигает модель Hercules Strong Duo (299 000 рублей), пришедший на смену весьма популярному Hercules Strong. Новое устройство может печатать одновременно двумя разными материалами, автоматически контролируя и калибруя подачу. Смена материала занимает 2,3 секунды. Принтер работает почти бесшумно и очень точно, благодаря обновленным электронным и механическим узлам. Доступна работа с пятнадцатью разными материалами (ABS, PLA, ASA, PP, ETERNAL, HIPS и т.д.).

3d принтер Hercules Strong Duo

• PrintBOX 3D относится к компании RGD, которая с 2007 года занимается работой с ЧПУ-станками. Компания предлагает неплохие и относительно дешевые устройства. Например, современный PrintBOX 3D White (139 000 рублей) с полностью закрытой камерой и принудительным обдувом. Благодаря этому соблюдается нужный температурный баланс, а как следствие, повышается качество печати.

3d принтер PrintBOX 3D

• EGL3D – производит стереолитографические принтеры на основе технологии DLP SLA. Владелец может без проблем заменить разделительный антиадгезионный материал, благодаря встроенным ваннам особой конструкции. Также отмечается автономность принтера, то есть не обязательно всегда держать его подключенным к компьютеру. Модель EGL2.1 стоит 275 000 рублей.

3d принтер EGL2.1

Помимо изготовления 3D-принтеров, в России активно интересуются печатью с точки зрения создания разного рода объектов. Один из ярких примеров – в 2019 году на Международном военно-техническом форуме будет представлен первый в мире танк, напечатанный на 3D-принтере. Модель называется Т-90МС.

Танк обладает полноценным функционалом – может участвовать в военных действиях. Оборудован динамической защитой третьего поколения, мощным турбодизельным двигателем, компьютеризированным комплексом для контроля работы трансмиссии и двигателя.

Модель танка Т-90МС, напечатанного на 3d принтере

Прогнозы 3D-печати для России и мира

Совершенно очевидно, что популярность потребительской трехмерной печати имеет только одно направление – рост. Ведь новые принтеры печатают всё более качественно, а цены их при этом становятся всё доступнее. В интернете можно найти огромное количество баз с десятками тысяч готовых моделей, которые остается только загрузить в принтер.

Пока индустрии недостает одного – качественного пользовательского сервиса. Производители ориентируются больше на корпорации, чем на частных клиентов. Но эта проблема со временем уйдет, и тогда 3D-принтеры прочно войдут в нашу жизнь.