Настольные модели для домашнего использования.

Объемная печать активно вошла в жизнь обывателей в 2005 году. Именно тогда появились первые устройства, которые обладали полным функционалом для создания трехмерного образа. Но и на настоящий день не многие пользователи знают, в чем особенность этого прибора. В этой статье мы расскажем, что печатает 3Д (3D) принтер, как с ним работать и что можно распечатать на нем.

История возникновения технологии

Идея создавать объекты в пространстве появилась еще в далеком 1953, когда появились первые обыкновенные плоскостные АЦПУ. Тогда они были еще черно-белыми, но уже тогда разработчики задумывались о моделировании в объеме.

Над созданием проекта и его воплощением в жизнь работали ученые из разных стран на протяжении полувека. Первый прорыв принадлежит Чаку Халлу, который сделал машину, основанную на лазерной стереолитографии. Суть проекта в использовании лазера и жидких фотополимеров. Перемещающаяся платформа основания помогает по заданным вычислениям направлять луч и выстраивать осевые вертикальные полосы. После этого накладываются горизонтальные пластины, образуя фактуру.

Полимер затвердевает под воздействием высоких температур в слои не шире 0,2 мм. Для ровного застывания вещества на постоянной основе работают механические щеточки, обеспечивая высыхание поверхности. Уже объемный объект погружают в специальный раствор для сглаживания шероховатостей и устранения излишков. На финальной стадии образец повторно облучают. Минусом технологии был несбалансированный состав смолы – фотополимер застывал недостаточно крепко или, наоборот, моментально. Преимущество SLA-принтеров – их скорость работы, но само оборудование и расходный материал имеет высокую цену.

Скотт Крамп в конце 80-х создал абсолютно новый метод, который заключался в послойном наплавлении – FDM. Именно он лежит в основе современных приборов. Вещество, задействованное в работе, – термопластинки. Они выглядят как моток твердых нитей. Именно они наносятся слоями, повторяя контур цифровой модели.

Первый вошедший в продажу принтер появился в 1995 году. Его анонсировала компания «3D Systems». Но изделие «Actua 2100» работало медленно, в чем был его основной недостаток. И только спустя 10 лет была разработана модель «Reprap», в которой были устранены распространенные ошибки предыдущей партии. С этого момента в мире науки и производства начался этап трехмерного моделирования.

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:

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 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.

Из чего создаются изделия

Вещество-основа может различаться. Самый популярный и начальный элемент – это фотополимер. Он легок в обращении, имеет низкую температуру плавления и удобен на стадии последующей обработки – шлифовки. На его замену пришел термопластик (видов ABS и PLA) – усовершенствованный материал с рядом преимуществ, в частности, он более безопасный и экологически чистый.

Также могут использоваться:

• нейлон – высокая прочность и износостойкость;
• поликарбонат – широкий спектр комфортных для изделия температур от -100 до +115 градусов;
• полиэтилен;
• поливиниловый спирт – быстро схватывается, но растворяется при соприкосновении с водой;
• целлюлоза;
• полипропилен – нетоксичный и недорогой;
• флекс – очень гибкий и эластичный;
• HIPS – удобен при необходимости многоуровневых конструкций со сложными спайками и поддержками;
• glassfil – прозрачный и невосприимчивый к ультрафиолету, механическим воздействиям и бактерицидной атаке, поэтому часто применяется в медицине;
• керамический состав – содержит только частицы керамики, но при печати создает эффект камня;

• PVA – быстрорастворяемый полимер, который подходит для временного склеивания элементов конструкции;
• PVD – тонкий пластик, который подходит для упаковочной вентилируемой продукции;
• PETG – полупрозрачный материал, образующий красивую глянцевую поверхность, подходит для элементов декора;
• полиоксиметилен – прочный как металл, но удобный в обращении и легкий;
• WOOD – достоверная имитация дерева с сохранением свойств материала-оригинала, то есть с сильными влаговпитывающими характеристиками;
• ABS Antistatic – обычный полимер с эффектом антистатика для изоляции от электричества;
• GLOW – люминесцентное вещество, способное впитывать и отдавать свет;
• металл – состав содержит в себе элементы бронзы, алюминия и других веществ, на выходе предмет, напоминающий настоящее металлическое изделие.

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.

Все о программном обеспечении для 3Д принтера

Моделирование и печать невозможны без специализированного САПРа. Компания «ЗВСОФТ» предлагает несколько программ для эффективной работы с 3D моделями:

– базовый CAD с широкими возможностями для расчета и проектирования объемных чертежей. Среди возможностей:

• Создание и редактирование моделей привычными инструментами.
• Взгляд на объект в перспективе – функция DVIEW.
• Рендеринг части сцены.
• Визуализация.
• Интеграция большого количества форматов.
• Удобный интерфейс.
• Работа с динамическими блоками.
• Возможность установки дополнительных надстроек.
• Экспорт в форматы, поддерживаемые 3д принтерами (через дополнительные приложения).

– специализированный САПР для трехмерного конструирования. Достоинства:

• Выгрузка объемных чертежей с трудной геометрией.
• Реверсивный инжиниринг.
• Принцип гибридного моделирования.
• Расположение слоев на различных уровнях в одном файле.
• Совместимость с большинством форматов.
• Библиотека готовых и пополняемых деталей.
• Поддержка всех форматов файлов 3d принтеров.

– приложение, которое идет к базовой платформе. Оно предназначено для проектирования объемных объектов и создания дизайна, поэтому большое внимание уделено проработке деталей. Преимущества:

• Интуитивно понятный интерфейс.
• Структурирование.
• Работа с рельефами поверхности в RenderZone.
• Округление линий.
• Визуализация с поддержкой освещения.
• Инструмент анализа NURBZ.
• Прямой экспорт в STL.

В статье мы рассказали вам о принтере 3Д – как он выглядит, что из себя представляет и для чего нужен. Начиная работу в трехмерном пространстве, выбирайте удобное и многофункциональное программное обеспечение.

Поступили вопросы как его правильно купить. Делюсь опытом.

Первый принтер, как первая женщина: должен быть у каждого реального пацана, но с какой стороны к нему подходить в школе не сказали. Я вам тут скажу по-секрету, только никому не рассказывайте!

Речь идет о принтерах начального уровня за $150 - $300. Для реальных мажоров, покупающих в комплекте с принтером технолога, программиста, схемотехника и массажиста, действуют совсем другие правила.

Правило №1 Брать надо китай в России

Потому что европейские комплектующие, они могут быть качественнее, но разницу новичок скорее всего не поймет. И сломать по неопытности можно все что угодно. Ну, а российское производство при кратно большей цене .

Но, главное "но" в том, что наше российское таможенное законодательство считает принтер за $200 промышленным оборудованием и облагает его ввозной экспортной пошлиной 30%. Это же не игрушка и не управляемая модель. Имеет право, но не всегда им пользуется.

Я лично купил принтер для ребенка в образовательных целях. И вы берете его для ознакомления с аддитивными технологиями, а не для импортозамещения. Но таможня против. Хотя последнее время не лютует.

Поэтому умные китайцы отправляют нам принтеры из России, так что нам не надо общаться с таможней (это ваще отдельный экстрим). Главное найти на aliexpress.com именно умного китайского продавца, предлагающего отправку именно из России, а не из Китая. Не важно как они это делают, важно что это у них получается - проверено.

Ежели вы таки возьмете из-за границы, имейте в виду - все что относится к 3D печати будет облагаться пошлиной 30%. Некоторые попали, но большинство пронесло.

Правило №2 Какую модель 3D принтера лучше брать

Явного лидера в начально-образовательном уровне, как например Лего в начальной робототехнике, еще нет. Поэтому успешно применяется техника выбора "я б вдул": если глядя на фото принтера на страничке продавца в голову приходит такая мысль, то можно брать. Разница между разными моделями не принципиальна: все они печатают, и качество печати достаточно для новичка и недостаточно для промышленного производства. Все остальное на вкус и цвет, и не поймешь пока не попробуешь. Именно на пробу и берется первый принтер.

Правило №3 Как выбрать продавца

Как уже было указано в первом правиле, продавец должен быть умным. И, в-общем-то, это все. Это все, что можно достоверно установить. Все остальное недостоверно.

Одним посылка идет долго, другим быстро. В основном, это наша таможня и почта. Приходят все посылки в Москву, а на растаможку их могут отправить в Брянск или куда подальше. Конечно, потом снова через Москву. Если брать с доставкой из России, задержка по причине таможни исключается.

Продавцы обычно отправляют в течение недели, а если опоздают, то деньги вам вернут автоматом. Одним принтер приходит в целости и сохранности, а другим с поломками и некомплектом. Китайцы тоже халтурят, и у них также может закончиться правильная упаковка. Этого не предугадать. Снимайте на видео весь процесс от получения посылки до проведения инвентаризации ее содержимого, это реально поможет получить компенсацию, если что.

Одним продавец дает ценные советы по сборке и настройке, другим ваще не отвечает. Не рассчитывайте на техподдержку, это же DIY, что переводится на русский "сделай это сам".

Ни отзывы, ни количество заказов, ни обещания продавца не являются решающим фактором выбора продавца. Продавец может поменяться незаметно. Отзывы могут относиться к другому товару. Мухлевать они умеют.

Это лотерея, примите это и не страдайте, если что-то пошло не как хотелось.

Правило №4 Что брать в комплекте

Нет особого смысла выбирать вариант "+ три упаковки пластика в подарок". Это не подарок, это включено в цену. В России пластик стоит не дороже, ищите российские специальные интернет-магазины и берите дешевле, если вам это нужно. Китайский пластик может быть как хорошим, так и плохим.

Набирать разных запчастей особого смысла нет, но если прям очень хочется, то можно и взять. Сопла забиваются, их можно чистить и менять. Нагревательные элементы перегорают. Концевые ограничители барахлят. И т.п., примерно так можно ориентироваться, на свой вкус. Что реально потребуется не угадать, поэтому в идеале удобно брать на запчасти второй такой же принтер, ага.

Точно надо брать прошивку. Это бесплатно, надо просто попросить продавца, чтобы он выслал вам драйвера, firmware и bootloader, а также Arduino IDE пригодную для них. Весит это все в пределах 10Мб, так что емайл подходит.

Точно надо брать программатор. Встречаются посты типа "два дня принтер работал и перестал". Это слетела прошивка. Или слетел загрузчик. Скорее то и другое. Загрузчик это первая часть прошивки, которая запускает основную часть. Для записи на плату принтера загрузчика нужен программатор. Основная прошивка записывается на плату без программатора.

Правило №5 Забудьте про техподдержку

Продавцы не делают 3D принтеры, они их продают. Если в штате продавца случайно окажется кто-то понимающий и у него будет время, вам что-нибудь подскажут. Но 3D это целая наука, миллион нюансов и миллиард вариантов, так что курс лекций вам точно не дадут. Читайте интернет и не расстраивайтесь на китайцев. Все решаемо, нужно просто найти. Если у вас нет времени, не стоит за это браться совсем.

Правило №6 Спорьте

Не надо подтверждать получение на Али при получении посылки. Вы подтверждаете не факт получения, а комплектность и работоспособность. Так что проверяйте. С чувством, с толком, не спеша.

Да, вам напишут и попросят поторопиться. Ответ прост: надо больше времени на проверку.

Если закончилось время, надо открыть спор. Основание спора: возможные дефекты. "Может их и нету, надо разобраться."

Если что-то не получается включить/запустить и китаец не помогает, надо вызывать арбитров Али. Для этого нужно очень подробно изложить что вы ожидали получить (как оно на ваш взгляд должно работать), что вы для этого сделали и что не получилось. Также нужно качественно подготовить фото и видео. На фото надо сделать пометки для пояснений. Видео нужно сделать достаточного качества для спокойного разглядывания.

Залить видео на 500 Мб через великий китайский фаервол непросто, практически невозможно. Поэтому его надо ужать. Это можно сделать на ютубе, там хороший ужимальщик.

От качества подготовки доказательной базы зависит возврат денег. Поэтому надо взять за правило снимать на видео каждый значимый шаг. Получили на почте лепешку из картона - виноват китаец, плохо упаковал. Перепутали провода и все сгорело? Виноват китаец - нет инструкции, провода не помечены. Главное чтобы с той стороны фаервола можно было понять, что вы приложили максимум усилий. Для этого снимать процесс получения на почте, процесс вскрытия, и т.д. и т.п. И чтобы очень было похоже на правду.

И в завершение дам свой кейс по спору.

На второй день принтер не включился.

Как потом выяснилось, если таскать оси руками туда-сюда, моторы работают в режиме генератора и плата от этого не защищена. Не надо двигать моторы руками (быстро).

Открыл диспут.

Китаец предложил попробовать перепрошиться.

Прошивки у китайца не было. Предложил поискать в нете.

Отправил видео процесса неудачной прошивки. Точнее, первая найденная прошивка даже не компилировалась. Китаец в этом ничего не понимал, так что этого оказалось достаточно.

Написал в спор что плата не работает, прошивка не заливается.

Китаец предложил отправить плату на замену.

Я указал, что принтер на ДР ребенка и за две недели плата не дойдет.

Китаец предложил экспресс-отправку. Я согласился.

После получения и проверки трека я закрыл спор.

С пятого - десятого раза нашлась прошивка, для которой удалось подобрать версию IDE для компиляции.

Прошить не получилось. Оставалась возможность слетевшего загрузчика.

Для платы Мелзи есть несколько вариантов загрузчика. С 10 - 20 раза нашелся подходящий загрузчик, он и в норме может шиться не с первого раза.

После прошивки загрузчика основная прошивка заливается без проблем.

Подправил в прошивке настройки под свой принтер и все работает с тех пор без проблем. Вообще без проблем.

Через три недели пришла вторая плата.

Ребенок в восторге. Печатает с удовольствием. Вот вчера напечатал:

Удачи, и да пребудет с вами филамент! :)

И да, кэшбек реально работает. Я проверил и пользуюсь этим . Сейчас там акция и дают еще больше . Вывожу на Мегафон и платить на Али тоже можно со счета телефона (МТС и другие). Так что реально Прюша выходит меньше 10 тыс. руб.

3D печать основана на технологии послойного выращивания твёрдых объектов из различных материалов. Объёмные модели печатаются из пластика, бетона, гидрогеля, металла и даже из живых клеток и шоколада. В настоящей статье мы представим краткий обзор наиболее популярных материалов для 3D печати .

ABC-пластик

АBC-пластик известен как акрилонитрилбутадиенстирол. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Такой пластик не имеет запаха, не токсичен, ударопрочен и эластичен. Температура плавления АВС-пластика составляет от 240°С до 248°С. Он поступает в розничную продажу в виде порошка или тонких пластиковых нитей, намотанных на бобины.

3D модели из АВС-пластика долговечны, но не переносят прямой солнечный свет. С помощью такого пластика можно получить только непрозрачные модели.

АВС-пластик для 3D печати

Акрил

Акрил используется в 3D печати для создания прозрачных моделей. При использовании акрила необходимо учитывать следующие особенности: для данного материала нужна более высокая температура плавления, чем для АВС-пластика, и он очень быстро остывает и твердеет. В разогретом акриле появляется множество мелких воздушных пузырьков, которые могут вызвать визуальные искажения готового изделия.

Изделия, напечатанные из акрила

Бетон

В настоящее время изготовлены пробные образцы 3D принтеров для печати бетоном . Это огромные печатающие устройства, которые кропотливо, слой за слоем, «печатают» из бетона строительные детали и конструкции. Такой 3D принтер может всего лишь за 20 часов «напечатать» жилой двухэтажный дом общей площадью 230 м2.

Для 3D печати используется усовершенствованный сорт бетона, формула которого на 95% совпадает с формулой обычного бетона.

Изделия, напечатанные бетоном

Гидрогель

Учёные из иллинойского Университета (США) напечатали при помощи 3D принтера и гидрогеля биороботов длиной 5-10 мм. На поверхность биороботов поместили клетки сердечной ткани, которые распространились по гидрогелю и начали сокращаться, приводя в движение робота. Такие роботы из гидрогеля способны передвигаться со скоростью 236 микрометров в секунду. В будущем они будут запускаться в организм человека для обнаружения и нейтрализации опухолей и токсинов, а также для транспортировки лекарственных препаратов к месту назначения.

Биороботы из гидрогеля, напечатанные 3D принтером

Бумага

В некоторых 3D принтерах в качестве материала для печати используется обычная бумага формата А4. Так как бумага - это доступный и недорогой материал, то и бумажные модели получаются недорогими и доступными для пользователей. Такие модели печатаются послойно, причём каждый последующий слой бумаги вырезается принтером и наклеивается на предыдущий. Модели из бумаги печатаются быстро, но не могут похвастаться прочностью или эстетичностью. Они идеально подойдут для быстрого прототипирования компьютерного проекта.

3D модели, напечатанные из бумаги

Гипс

В современной 3D печати широко применяются гипсовые материалы. Модели, изготовленные из гипса, недолговечны, но имеют очень низкую себестоимость. Такие модели идеально подходят для изготовления объектов, предназначенных для презентаций. Их можно показывать в качестве образца заказчикам и клиентам, они отлично передадут форму, структуру и размер оригинального изделия. Так как гипсовые модели отличаются высокой термостойкостью, их используют в качестве образцов для литья.

3D модель, напечатанная из гипса

Деревянное волокно

Изобретатель Кай Парти разработал специальное деревянное волокно для 3D печати. Волокно состоит из дерева и полимера и по своим свойствам похоже на полиактид (PLA). Комбинированный материал позволяет получить долговечные и твёрдые модели, которые внешне выглядят как деревянные изделия и имеют запах свежеспиленного дерева. В настоящее время инновационный материал используется только в самореплицирующихся принтерах RepRap.

3D модель, напечатанная деревянным волокном

Лёд

В 2006 году два канадских профессора получили грант на развитие технологии 3D печати ледяных фигур. За три года они научились создавать при помощи 3D принтеров небольшие ледяные предметы. Печать протекает при температуре -22°С, в качестве расходных материалов используются вода и метиловый эфир, подогретый до температуры 20°С.

Фигура, напечатанная льдом

Металлический порошок

Ни один пластик не сможет заменить металл с его приятным мягким блеском и высокой прочностью. Поэтому в 3D печати очень часто используется порошок из лёгких и драгоценных металлов: меди, алюминия, их сплавов, а также золота и серебра. Однако металлические модели не обладают достаточной химической стойкостью и имеют высокую теплопроводность, поэтому в металлический порошок для печати добавляют стекловолоконные и керамические вкрапления.

Украшения из металлического порошка, напечатанные 3D принтером

Нейлон

Печать нейлоном имеет много общего с печатью АВС-пластиком. Исключениями являются более высокая температура печати (около 320°С), высокая способность впитывать воду, более продолжительный период застывания, необходимость откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона. Нейлон - это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки, нейлон с успехом используют в 3D печати, так как детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АВС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.

Нейлоновая нить для 3D печати

Изделия из нейлона, напечатанные 3D принтером

Поликапролактон (PCL)

Поликапролактон близок по свойствам к биоразлагаемым полиэфирам. Это один из самых популярных расходных материалов для 3D печати. Он имеет низкую температуру плавления, быстро затвердевает, обеспечивает прекрасные механические свойства готовых изделий, легко разлагается в человеческом организме и безвреден для человека. Кроме того, он может применяться сразу в нескольких технологиях 3D печати: SLS, ZCorp и FDM.

Поликапролактон для 3D принтера

Поликарбонат (PC)

Поликарбонат - это твёрдый пластик, который способен сохранять свои физические свойства в условиях экстремально высоких и экстремально низких температур. Обладает высокой светонепроницаемостью, имеет высокую температуру плавления, удобен для экструзионной обработки. При этом его синтез сопряжён с рядом трудностей и экологически не безвреден. Используется для печати сверхпрочных моделей в нескольких технологиях 3D печати: SLS, LOM и FDM.

Полилактид (PLA)

Полилактид - это самый биологически совместимый и экологически чистый материал для 3D принтеров. Он изготавливается из остатков биомассы, силоса сахарной свёклы или кукурузы. Имея массу положительных свойств, полилактид имеет два существенных недостатка. Во-первых, изготовленные из него модели недолговечны и постепенно разлагаются под действием тепла и света. Во-вторых, стоимость производства полилактида очень высока, а значит и стоимость моделей будет значительно выше аналогичных моделей, изготовленных из других материалов. Используется в технологиях 3D печати: SLS и FDM.

Полилактидная нить и изделия, напечатанные полилактидом на 3D принтере

Полипропилен (PP)

Полипропилен - это самая лёгкая из всех ныне существующих пластических масс. По сравнению с полиэтиленом низкого давления хуже плавится и лучше противостоит истиранию. При этом уязвим к активному кислороду и деформируется при отрицательных температурах.

Полипропилен для 3D печати

Полифенилсульфон (PPSU)

Данный материал пришёл в 3D печать из авиапромышленности. Он практически не горит, характеризуется теплостойкостью, высокой твёрдостью. Напоминает обычное стекло, но превосходит его по прочности. Используется в технологиях 3D печати: SLS и FDM.

Полиэтилен низкого давления (HDPE)

Это самый распространённый вид пластмассы в мире, из которого изготавливают ПЭТ-бутылки, канистры, трубы, плёнки, пакеты и т.д. В 3D печати полиэтилен низкого давления является непревзойдённым лидером. Данный материал может быть использован в любой технологии 3D печати.

Полиэтиленовая обувь, напечатанная на 3D принтере

Шоколад

Британские учёные представили публике первый шоколадный 3D принтер, который печатает любые шоколадные фигурки, заказанные оператором. Принтер наносит каждый следующий слой шоколада поверх предыдущего. Благодаря способности шоколада быстро застывать и твердеть при охлаждении, процесс печати протекает довольно быстро. В ближайшем будущем такие принтеры будут востребованы в кондитерских и ресторанах.

Шоколадный принтер в работе

Прочие материалы

Существуют 3D принтеры, которые предназначены для печати глиняными смесями, известковым порошком, продуктами питания, живыми органическими клетками и многими другими удивительными материалами. О том, какие материалы для 3D печати будут использоваться в ближайшем будущем, остаётся лишь догадываться.

С начала нового тысячелетия понятие «3D» прочно вошло в нашу повседневную жизнь. В первую очередь, мы связываем его с киноискусством, фотографией или мультипликацией. Но едва ли сейчас найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о такой новинке, как 3D-печать.

Что же это такое и какие новые возможности в творчестве, науке, технике и повседневной жизни несут нам технологии трехмерной печати, мы и попытаемся разобраться в статье, приведенной ниже.

Но сначала немного истории. Хоть и много стали говорить о 3D печати только последние несколько лет, на самом деле эта технология существует уже достаточно давно. В 1984 году компания Charles Hull разработала технологию трёхмерной печати для воспроизведения объектов с использованием цифровых данных, а двумя годами позже дала название и запатентовала технику стереолитографии.

Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D принтер. Впоследствии эстафету приняла компания 3D Systems, разработавшая в 1988 году модель принтера для 3Д печати в домашних условиях SLA – 250.

В том же году компанией Scott Grump было изобретено моделирование плавлеными осаждениями. После нескольких лет относительного затишья, в 1991 году компания Helisys разрабатывает и выпускает на рынок технологию для производства многослойных объектов, а через год, в 1992, в компании DTM выходит в свет первая система селективного лазерного спаивания.

Затем, в 1993 году основывается компания Solidscape, которая и приступает уже к серийному производству принтеров на струйной основе, которые способны производить небольшие детали с идеальной поверхностью, причём при относительно небольших затратах.

Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D принтеров. Но, пожалуй, пик развития и популярности 3D печати всё же пришёлся на новый, 21 век.

В 2005 году появился первый , способный печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.

В настоящее время круг возможностей и сфер применения 3Д печати постоянно растёт. Этим технологиям оказалось подвластно всё - от кровеносных сосудов до коралловых рифов и мебели. Впрочем, о сферах применения данных технологий мы поговорим чуть позже.

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 работает 3D принтер?

Применение трехмерной печати – это серьезная альтернатива традиционным методам прототипирования и мелкосерийному производству. Трёхмерный, или 3д-принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты.

На данный момент оборудование данного класса может работать с фотополимерными смолами, различными видами пластиковой нити, керамическим порошком и металлоглиной.

Что такое 3d принтер?

В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей - высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.

Например, для создания или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени - от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы - чертежи и схемы будущего изделия, которые всё равно не дают полного видения окончательного результата.

В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства.

3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге - ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов.

При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.

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.

Технология SLA

Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает.

В качестве фотополимера могут использоваться самые разные материалы. Их физико-механические характеристики могут сильно различаться между собой. Однако ни одному производителю пока не удаётся создать действительно прочный материал. Характеристики смол по прочности сравнимы с эпоксидной смолой.

После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.

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 LCD

Ещё недавно, около 2017 года, 3d-принтеры для печати фотополимером были дорогими. Однако изобретение печати на основе проницаемых матриц LCD изменило ситуацию в корне. На середину 2019 года можно приобрести фотополимерный 3d-принтер хорошего качества примерно за 30 000 рублей.

LCD матрица для 3d принтера представляет из себя экран по аналогии с экраном сотового телефона. Сама по себе такая матрица не излучает свет. Она может только изменять степень светопропускания в различных областях. Так формируется картинка слоя печати. А вот источник излучения находится за lcd матрицей. Таким образом для создания подобного 3д-принтера нужно было всего лишь заменить лампу-излучатель на источник ультрафиолетового излучения. Напомним, что подавляющее большинство фотополимеров застывают под действием именно УФ излучения.

Технология DLP

Технология DLP – новичок на рынке трехмерной печати. Стереолитографические печатные аппараты сегодня позиционируются, как основная альтернатива FDM оборудованию. Принтеры данного типа используют технологию цифровой обработки светом. Многие задаются вопросом, чем печатает 3d принтер данного образца?

Вместо пластиковой нити и нагревающей головки для создания трехмерных фигур используются фотополимерные смолы и DLP-проектор.

Ниже вы можете увидеть, как работает 3d принтер видео:

Впервые услышав про DLP 3d принтер, что это такое – вполне резонный вопрос. Несмотря на замысловатое название, устройство почти не отличается от других настольных печатных аппаратов. К слову, его разработчики, в лице компании
QSQM Technology Corporation, уже запустили в серию первые образцы высокотехнологичного оборудования. Выглядит оно следующим образом:

Технология EBM

Стоит отметить, технологии SLS/DMLS – далеко не единственные в области . 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:

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.

Цветная 3D-печать

Данная технология единственная в своем роде, которая позволяет получать объекты во всем доступном диапазоне оттенков. Примечательно, что окрашивание изделий происходит непосредственно во время их изготовления. С ее помощью получаются фотореалистичные объекты. Это и вызывает неподдельный интерес к ней со стороны дизайнеров.

Зачастую в качестве исходного материала применяют порошок, созданный на основе гипса. Щетки и ролики формируют не очень толстый слой расходника. Дальше с помощью подвижной головки на необходимые участки наносятся микрокапли клееобразного вещества (перед этим его окрашивают в нужный цвет). Оно напоминает по своему составу цианокрилат. Послойно создается готовый разноцветный объект. Финальная обработка изделия цианоакрилатом обеспечивает ему блеск и жесткость.

Промышленные и настольные цветные 3D-принтеры

Современный рынок предлагает различные многоцветные 3D-принтеры. С их помощью создаются разноцветные объекты в домашних условиях. Большинство агрегатов предназначено для профессионального использования.

Профессиональная цветная печать на 3D-принтере осуществляется с помощью:

1. Линейки Zрrintеr от известной торговой марки 3D Sуstems. Эти устройства могут создавать габаритные разноцветные объекты. Снабжаются 5-ю картриджами и системой автоматической загрузки порошка. Техника практически на 100% автоматизирована, поэтому настройка или контроль процесса печати не обязателен. Весят модели около 340 килограмм. Стоимость в пределах 90-130 тысяч долларов.

2. Полноцветный 3D-принтер Мсor Iris. Разноцветные изделия создаются путем склеивания отдельных бумажных клочков. Данный агрегат от Мсоr Тесhnologies Ltd создает объемные фотореалистичные модели с неплохими показателями прочности. Может генерировать до миллиона цветов. Стоит 15 тысяч долларов.

Настольные модели для домашнего использования:

1. Цветной 3D-принтер 3D Тоuch. Данный агрегат работает по технологии FDМ. Модель может снабжаться одной, двумя или даже тремя экструзионными головками. Работает с АВS или РLА-пластиком. Весит ни много ни мало 38 килограмм. Стоимость – около 4 тысяч долларов.

2. 3D-принтер трехцветный ВFB 3000 РАNTHER – первый цветной принтер, который был выпущен на рынок. Сегодня его стоимость составляет около 2,5 тысяч долларов. В качестве рабочего материала применяется стандартная пластиковая нить. Для работы понадобится нить трех цветов.

3. Одна из самых дешевых моделей – РroDеsk3D. Для создания изделий используется система из пяти картриджей. Возможна работа с РLA или АВS-пластиком. Принтер снабжен системой автоматической настройки. Стоит всего 2 тысячи долларов. К сожалению, не может похвастаться высокими показателями разрешения печати.

Области применения 3D печати

3D печать открыла большие возможности для экспериментов в таких сферах как архитектура, строительство, медицина, образование, моделирование одежды, мелкосерийное производство, ювелирное дело, и даже в пищевой промышленности.

В архитектуре, например, 3D печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой - скверами, парками, дорогами и уличным освещением.

Благодаря используемому при этом дешёвому гипсовому композиту обеспечивается низкая себестоимость готовых моделей. А более 390 тысяч оттенков CMYK позволяют в цвете воплотить любую, даже самую смелую фантазию архитектора.

3d принтер: применение в области строительства

В строительстве есть все основания предполагать, что в недалёком будущем намного ускорится и упростится процесс возведения зданий. Калифорнийскими инженерами создана система 3D печати для крупногабаритных объектов. Она работает по принципу строительного крана, возводящего стены из слоёв бетона.

Такой принтер может возвести двухэтажный дом всего в течение 20 часов.

После чего рабочим останется лишь провести отделочные работы. 3D House Постепенно завоёвывают прочные позиции 3D принтеры и в мелкосерийном производстве.

В основном эти технологии используются для производства эксклюзивных изделий, таких как предметы искусства, фигурки персонажей для ролевых игр, прототипов моделей будущих товаров или каких-либо конструктивных деталей.

В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций.

Всё большее применение находят 3D принтеры в области протезирования в стоматологии, так как эти технологии позволяют намного быстрее получить протезы, чем при традиционном изготовлении.

Не так давно немецкими учёными была разработана технология получения человеческой кожи. При её изготовлении используется гель, полученный из клеток донора. А в 2011 году учёным удалось воспроизвести живую человеческую почку.

Как видим, возможности, которые открывает 3D печать практически во всех сферах деятельности человека поистине безграничны.

Принтеры, создающие кулинарные шедевры, воспроизводящие протезы и органы человека, игрушки и наглядные пособия, одежду и обувь - уже не плод воображения писателей - фантастов, а реалии современной жизни.

А какие ещё горизонты откроются перед человечеством в ближайшие годы, наверное, это может быть ограничено только фантазией самого человека.

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.