Что может 3d принтер

Аддитивные технологии (англ. Additive Manufacturing) — технологии послойного наращивания и синтеза объектов. Широкое применение получили для так называемой фаббер-технологии (англ. fabber technology, также распространено наименование «3D-печать») — группы технологических методов производства изделий и прототипов, основанных на поэтапном формировании изделия путем добавления материала на основу (платформу или заготовку).

В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей, основанные не на удалении материала как традиционные технологии механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР, за счет добавления материала в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом. Группа этих технологий на западе получила название «аддитивное производство» (англ. Additive Manufacturing).

За три с половиной десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых прототипов к непосредственному получению готовых функциональных изделий. К настоящему времени технология позволяет получать прототипы и функциональные изделия из различных материалов, которые не требуют дальнейшей механической пост-обработки.

Что полезного я напечатал на 3D принтере

Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. Величина современного рынка аддитивного производства — около 1,3 млрд долларов, включая производство специального оборудования и оказание услуг в соотношении ориентировочно 50/50. Доля России среди стран, активно развивающих и применяющих технологии аддитивного производства, составляет примерно 1,2% (США — 39,1%, Япония — 12,2%, Германия — 8,0%, Китай — 7,7%).

Среди применений аддитивных технологий наиболее востребовано производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, то есть там, где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.

3D-печать

Процесс перехода от классических технологий – резания, штамповки, ковки, литья к управляемому с помощью компьютеров формообразованию изделий начался с 3D-печати, как с наиболее очевидного решения.

Вопреки большинству мнений, распространенным в средствах массовой информации в течение нескольких лет, технология 3D-печати не слишком новая. Официальным началом исследований в данной области считается 1984 год, когда Чарльз Халл подал патент на «стереолитографию» – первый аддитивный метод, состоящий в селективном отверждении последующих слоев фотополимерной смолы лазерным лучом. Однако, при этом, концептуальная работа по технологиям 3D-печати датируется 1970-ми годами, а в 1980-х годах, помимо Халла, несколько других людей в мире так же работали над стереолитографией.

Первая компания, выпускающая и продающая 3D-принтеры в мире, была основана Халлом в 1986 году – 3D Systems. Вскоре появилось множество других компаний, а также и новые методы производства:

• Stratasys – создатель технологии FDM. Трехмерная печать термопластов в виде моноволокна,
• EOS, которая изначально также создавала стереолитографию, а теперь является ведущим производителем машин SLS и DMLS.

Интересно отметить, что термин «трехмерная печать» появился только в 1993 году благодаря исследователям Массачусетского технологического института (MIT), которые разработали метод создания пространственных моделей из гипсового порошка. Таким образом, технология под названием «3D-печать» была первоначально придумана в следствии одного конкретного метода 3D-печатной технологии и только затем стала использоваться в контексте всех аддитивных методов.

Более 20 лет 3D-принтеры были интересны только небольшой группе специалистов, которые использовали их для быстрого прототипирования. Даже если информация о них и появлялась в СМИ, то их рассматривали только на основе технологического любопытства и никто не воспринимал их слишком серьезно. Этот подход изменился только после 2010 года из-за быстрого увеличения популярности любительских 3D-принтеров типа FDM, разработанных в рамках проекта RepRap.

3D-печать – очень емкое определение, которое состоит из множества различных способов производства. Так, технологии D-печати можно разделить на:

• применение последующих слоев полужидкого пластика (FDM)
• отверждение светочувствительных смол с использованием лазерного луча (SLA), света от излучаемого проектором (DLP) или УФ-лампой (PolyJet/MJP)
• селективная адгезия гипсового порошка (CJP) или песка (Binder Jetting)
• селективная адгезия пластмассовых порошков и их сварка (MJF)
• селективное спекание порошковых пластмасс (SLS)
• селективное плавление порошкообразных металлов (SLM, DMLS, EBM)
• и многие другие методы, которые являются вариациями вышеизложенного. Кроме того, существуют методы, которые, хотя и совместимы с определением пространственной печати, но называются таковым несколько с преувеличением (например, трехмерная печать шоколадом или продуктами питания).

Существует множество, а не одна «лучшая» технология 3D-печати – все они имеют разные преимущества и недостатки.

Технологии 3D-печати очень разнообразны, и каждый из них позволяет создавать детали из разных материалов с различными физическими и химическими свойствами и с различной точностью. Таким образом, невозможно определить, какой из них «лучший». Все эти технологии самым подробным образом уже разбирались на страницах нашего журнала и повторяться в этом нет большого смысла. Ниже описаны семь самых популярных методов 3D печати с учетом их самых важных преимуществ и недостатков.

FDM/FFF – трехмерная печать термопластов в виде мононити

• низкая цена (не считая, конечно, промышленных 3D-систем Stratasys) – 3D-принтеры FDM/FFF являются самыми дешевыми устройствами по 3D-печати на рынке;
• дешевые расходные материалы – предполагается, что стоимость высококачественной нити составляет около 1500 руб. за 750 гр чистого веса пластика без катушки;
• дешевая эксплуатация – единственные затраты при использовании 3D-принтеров этого типа – электроэнергия и материальные затраты на аксессуары, такие как клейкие вещества для лучшего прилипания изделий к столу. Хотя и тут есть решение проблемы – ситалловое стекло, предполагает многоразовое использование, не требует дополнительных веществ, улучшающих адгезию;
• простота обслуживания – большинство потенциальных поломок в этом типе 3D-принтеров могут быть отремонтированы самостоятельно, а в более сложных случаях решением может быть замена целого модуля (например, печатающей головки или экструдера);
• скорость работы – небольшие детали с простой геометрией печатаются в пределах нескольких – максимум дюжины часов, часто в течение одного рабочего дня;
• постобработка – не считая сложной геометрии, где должно быть создано много поддерживающих структур, пост-обработка проста.

• не очень высокая точность по сравнению с другими методами производства – высота печатного слоя в технологии FDM/FFF стандартная 0,1 – 0,3 мм (конечно, вы можете попытаться напечатать на более низком или более высоком уровне в зависимости от ваших потребностей); стандартный диаметр печатающей головки составляет 0,4 мм (отверстие, из которого экструдируется полужидкий пластик); таким образом, при печати деталей, мы можем забыть о точности на уровне, например, 1 микрона; это также один из наиболее распространенных аргументов против 3D-принтеров, сделанных пользователями фрезерных станков с ЧПУ;
• проблемы с усадкой – такие материалы, как ABS или нейлон, характеризуются значительной термоусадкой, которая в некоторых случаях портит геометрию изделий;
• постпроцессинг сложных геометрий – некоторые геометрии потребуют создания таких сложных внутренних опорных структур, что их удаление после печати будет либо очень сложным, либо невозможным.

SLA/DLP – 3D-печать светоотверждающимися смолами

• высокая точность печатных моделей – из смол мы можем создавать детали со слоем 0,025-0,05 мм; это точность, недоступная для большинства других методов 3D-печати;
• легкое удаление поддерживающих конструкций – не считая очень сложных геометрий, очень легко удалять опоры из отпечатков из смолы, которые создаются совершенно по-другому, чем, например, в FDM/FFF;
• возможность использования биосовместимых смол – изделия, изготовленные из таких смол, могут использоваться после стерилизации во время хирургических операций и контактировать с тканью.

• более высокая цена – самая дешевая система по такой технологии 3D-печати обойдется как минимум в несколько десятков тысяч рублей, однако, чтобы получить действительно хорошие результаты затраты могут составить и более сотни тысяч рублей;
• высокая цена расходных материалов – цена смолы в несколько раз больше, чем нити для трехмерных принтеров типа FDM/FFF; например, смолы для популярного 3D-принтера FormLabs Form 2 обойдутся около 16000 рублей за 1 литр/1 кг в зависимости от вида и свойств;
• после печати изделие следует промыть в воде или изопропиловом спирте (в зависимости от вида), что требует дополнительной работы; некоторые смолы требуют дополнительной засветки с помощью УФ-лампы, чтобы придать им максимальные свойства (например, биосовместимые смолы Formlabs);
• процесс трехмерной печати «грязный» – после снятия с рабочего стола изделия покрыты слоем незатвердевшей смолы, которую необходимо смыть; кроме того, все работы должны выполняться в защитных перчатках и в специально оборудованном месте.

PolyJet/MJP – трехмерная печать из УФ-отвержденных смол

• максимальное качество печати – возможность печати на слоях до 0,016 мм
• отличный способ построения подпорных конструкций – вспомогательные поддержки для печати из материалов, которые растворяются водой или растворяются в специальных химических веществах; благодаря этому можно печатать очень сложные и точные геометрии;
• возможность использования биосовместимых смол;
• простой процесс печати – машины такого типа практически не требуют обслуживания.

• очень высокая стоимость машин – цена составляет более 1,5 млн рублей;
• очень дорогие расходные материалы – цена картриджей со смолами достигает нескольких тысяч рублей;
• дорогостоящая постобработка – в зависимости от производителя требуется специальная станция (водоомыватель или химикат);
• дополнительное потребление материала – из-за специфики технологического процесса, 3D-принтеры этого типа должны постоянно пропускать через себя смолу, даже если на данный момент ничего не печатается, для того что бы неиспользуемые головки не засохли.

CJP – 3D-печать в полном цвете

• возможность распечатывать детали в полном цвете;
• способность печатать любую геометрию – из-за того, что это порошковая технология, порошок, который не связан друг с другом, создает естественную несущую структуру, которая легко удаляется после печати;
• возможность расположения изделий – по вышеуказанным причинам мы можем поместить намного больше деталей в рабочую камеру, которые можно укладывать «друг на друга» практически под любым углом; поэтому общая рабочая площадь является фактическим объемом всей рабочей области, а не только поверхностью рабочего стола, как в FDM/FFF, или технологиями смолы;
• простое управление устройством.

• очень высокая стоимость машин – цена составляет более 1 млн рублей;
• недолговечность моделей – из-за того, что изделия сделаны из гипсового порошка, они довольно хрупкие и могут служить только как демонстрационные модели (прототипы);
• ограничения в моделях при печати – технологически толщина стенки не должна быть меньше 1 мм;
• сложная постобработка – после печати, модели сначала необходимо нагреть, чтобы испарить влагу, затем вакуумировать неочищенный порошок, затем дополнительно очистить модель вручную кистью и наконец, искупать ее в специальном средстве, которое дополнительно отверждает порошок и улучшит цвета;
• процесс трехмерной печати «грязный» – фактически процесс идет с гипсовыми порошками с консистенцией муки.

SLS – трехмерная печать порошкообразных спеченных пластмасс

• способность печатать объекты из прочных термопластов – прежде всего это полиамидные материалы;
• способность печатать объекты со сложными геометриями – из-за того, что это порошковая технология, порошок, который не спекается, создает естественную структуру поддержки, которая после распечатки легко удаляется (хотя бывают ситуации, когда опоры все же остаются);
• возможность укладки изделий;
• возможность распечатать готовые к использованию детали для авиации, автомобильной промышленности и т.д.

• огромный стоимость устройства – стоимость 3D-принтеров составляет несколько миллионов рублей;
• необходимость обеспечения дорогостоящей инфраструктуры – машины SLS это промышленные машины, которые не должны работать в офисной среде;
• процесс трехмерной печати «грязный» – работа идет полиамидными порошками с консистенцией муки.

SLM/DMLS/EBM – 3D-печать из порошковых металлов

• возможность печати металлических деталей;
• возможность печати объектов со сложной геометрией;
• возможность распечатать готовые к использованию детали для авиации, автомобильной промышленности и т.д.
• возможность печати медицинских имплантов (из титана).

• большая стоимость 3D-принтеров (составляет несколько млн. рублей);
• необходимость обеспечения дорогостоящей инфраструктуры;
• нет возможности укладки изделий – хотя это технология порошков, необходимо использовать опоры;
• очень сложная постобработка – металлические детали должны быть механически отделены от рабочего стола 3D-принтера (который также сделан из металла) и несущих конструкций; может потребоваться дополнительная обработка деталей путем фрезерования и/или полировки;
• очень сложная подготовка моделей для 3D-печати – технология 3D-металлопечати это самый сложный и самый продвинутый метод; печать больших и сложных деталей требует правильной их компоновки на рабочем столе и проектирования опорных конструкций, которые будут хорошо удерживать и в то же время быть легко удаляемыми позже.

Параллельно с развитием 3D-печати возникли близкие по звучанию версии 2.5D, 4D и даже 5D. По мнению Gartner 4D входит в число наиболее перспективных направлений, но практические результаты ожидаются не менее чем через 10 лет.

2,5D-печать

Абсолютное большинство жителей развитых стран мира знакомо с термином «3D-печать». А что же в таком случае означает 2.5D-печать? Чуть больше 5 лет назад, на международной выставке передовых технологий Ceatec Japan японская компания Casio представила технологию печати Mofrel и основанный на ней принтер.

Эта технология позволяет придавать различную текстуру специально подготовленным поверхностям, ее называют текстурной (textural printing) или рельефной печатью (elevated printing). По окончании работы принтер наносит краску с 16 миллионами цветовых оттенков. Получается не обземная, а рельефная печать – в процессе печати слегка поднимаются отдельные фрагменты, отсюда 2,5D.

Рис. 2. Готовый отпечаток (рисунок+рельеф) по технологии 2.5D-печати

Целевая аудитория нового принтера – дизайнеры. Технология Mofrel даст им возможность имитировать текстуры тканей, древесины, камня и керамики на специальных «цифровых листах». Возможно делать и полные копии шедевров живописи.

В качестве носителя используется двухслойная бумага, между ее слоями находится пудра из полиэтиленгликольтерефталата, более известного как ПЭТ, одного из самых дешевых пластиков, используемых для самых разных целей, самое массовое применение – бутылки для воды. На бумагу толщиной около 2 мм сначала наносится вспомогательное покрытие, оно засвечивается источником инфракрасного излучения, далее при нагревании пудра в нужных местах вздувается и получается рельеф, а затем наносится изображение. Печать листа формата А4 занимает около 5 минут.

В компании Casio надеются, что технология 2.5D-печати будет востребована производителями смартфонов для нанесения на корпуса необычных рисунков с разными текстурами. Возможно также, что в ближайшие два года появится версия принтера, доступная обычным потребителям. Стоимость представленного на выставке промышленного принтера Casio 2.5D составила 44000 долларов.

Первые промышленные образцы 2.5D-принтеров появились в конце 2017 года, они используются в процессах проектирования разного рода изделий для макетирования поверхностей, которые в реальных изделиях могут быть кожаными, тканевыми и другими, что исключает опытное производство и существенно упрощает переход от CAD к CAM (от автоматизированного проектирования к автоматизированному производству).

4D-печать

Первую работу по этой теме опубликовали ученые Вуллонгонгского университета, специализирующиеся на физике полимеров и электроматериалов: Шэннон Бакарич (Shannon Bakarich), Марк ин хет Панхуис (Marc in het Panhuis), Роберт Горкин Третий (Robert Gorkin III) и Джоффри Спинкс (Geoffrey Spinks).

Под «4D-печатью» подразумевается использование не только трех измерений для создания реальных объектов, но и фактора времени – четвертого измерения. По замыслу инженеров, если в печатаемые объекты добавить материалы, которые могут реагировать на внешние стимуляторы, например, жару или воду, то они смогут двигаться и изменяться со временем, подобно человеческим мускулам или волокнам в растениях.

Рис. 3. Различные формы готового изделия, изготовленного по технологии 4D-печати, при воздействии на нее влажностью и температурой

Так же как и при 3D-печати, структура новых объектов создается слоем за слоем при помощи специальных принтеров, однако используемые материалы отличаются. Например, ученые выбрали для создания своих прототипов расходный материал из гидрогеля благодаря его способности изменять свой объем под воздействием внешних факторов.

В качестве примера ученые Вуллонгонгского университета создали «умный вентиль»: он способен автоматически закрываться, если по нему начинает течь горячая вода. По словам создателей, для таких устройств не требуется дополнительная сборка по сравнению с 3D-принтерами: все отличие заключается в используемых материалах.

Как сказал один из авторов: «4D-печать крута тем, что ты просто забираешь из принтера рабочее функционирующее устройство. Никакой другой сборки не требуется. Это автономный вентиль, в нем нет никаких других входных данных, кроме воды. Он закрывает сам себя, когда обнаруживает горячую воду».

При создании «умного вентиля» ученые впервые использовали обычный принтер с четырьмя разными картриджами и твердые гели в качестве активирующего материала.

В настоящий момент основные работы в области 4D сосредоточены в лаборатории по самосборке (наподобие молекул) Self-Assembly Lab Массачусетского технологического института, в также в исследовательском подразделении одного из лидеров по производству принтеров для 3D Stratasys и в софтверном подразделении Autodesk.

Лаборатория Self-Assembly Lab была создана Скайларом Тиббитсом в международном центре по дизайну International Design Center в MIT. Она специализируется на проблемах автономной сборки и создании материалов с программируемыми свойствами. Первыми результатами были работы по созданию полимеров, способных запоминать исходную форму. Такие материалы могут быть использованы для точечной доставки медицинских препаратов и при создании медицинских имплантатов.

Заметный интерес к 4D-печати проявляет армия США, она спонсирует исследования в этом направлении, преследующие целью создания новых типов амуниции и вооружения, изменяющего свою форму.

5D-печать

Как известно, Mitsubishi попробовали себя практически вво всех областях, связанных с электроникой: будь то ЖК телевизоры или производство ракет. Естественно на этом пути использовались различные методы производства, в том числе и 3D печать. Однако и тут компания решила предложить свое видение: Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL), которая отвечает за инновации и новые идеи, использует пятикоординатную 3D печать.

Чем же этот процесс отличается от обычного? Оказалось все дело в движущийся по двум осям печатной головке, увеличивающей общее количество осей до пяти. Это позволяет, используя обычный 3D принтер, получить объекты с совершенно различной внутренней структурой. Изготовленные таким образом предметы отличаются повышенными прочностными свойствами и могут быть использованы в особо нагруженных изделиях.

Рис. 4. 5-осевая 3D-печать

В качестве подтверждения William Yerazunis, главный научный сотрудник в MERL, провел простой эксперимент. Из одних и тех же материалов по одинаковым моделям были изготовлены герметичные крышки: напечатанный при помощи 5D технологии продукт отличала более сильная структура, способная выдержать давление в 3,7 МПа по сравнению с 0,1 МПа, показанными «стандартным» объектом.

«5D печать в действительности требует много анализа, так как необходимо знать, как будет использоваться продукт. Но когда вы получаете часть в 5 раз сильнее, это на самом деле меняет ваше мнение о 3D напечатанных компонентах», сказал автор метода.

Исходя из тестов можно сделать вывод, что за 5D печатью, возможно, будущее производства: недорогая цена изготовления, отличные прочностные свойства при минимуме материала, – что еще нужно?

Надо заметить, что уже существуют некоторые спекуляции с использованием «5D» в названии оборудования. Так, на CES-2020 тайваньская компания XYZ Printing представила настольный FDM 3D-принтер da Vinci Color 5D. 5D в его названии разработчики определяют, как «3D+2D».

Новое устройство с дополнительными функциями лазерной гравировки и цветной 3D-печати продолжает линейку 3D-принтеров da Vinci Color Mini и da Vinci Color AiO (All-in-One) с встроенным 3D-сканером и лазерным гравером.

Принтер da Vinci Color 5D не только «выращивает» и окрашивает трехмерные пластиковые объекты, но и печатает обычные «плоские» фотографии.

Но мы то с вами знаем, что такое настоящая «5D» печать.

Перспективные технологии

Китайская Snapmaker, которая недавно привлекла $8 млн посредством Kickstarter, продемонстрировала 3D-систему 3-в-1, которая объединяет функции 3D-печати, лазерной гравировки и резки с ЧПУ в одном станке. Официального названия данной технологии пока неизвестно. К тому времени, когда о ней объявят, возможно в устройство будут добавлены новые функции.

А в Цюрихе два студента университета сделали прототип возможной 6D-технологии. Они построили 3D-принтер с качающейся печатной платформой и шестью осями печати, который способен печатать объекты с выступающими элементами любой сложности и без дополнительной опоры.

К сожалению, обладая ограниченным запасом времени и ресурсов, студенты не смогли написать программу, способную одновременно двигать головку и платформу. Несмотря на это ограничение, 6-осный принтер обладает еще одним важным преимуществом: при печати шестиугольных объектов каждая его часть печатается вдоль оси по прямой линии, а не диагонально. Это дает гарантию, что ни одна из сторон не окажется менее прочной, чем остальные.

Продолжат ли студенты дорабатывать свое изобретение — пока неизвестно.

Источник: compuart.ru

История 3д печати

В данном разделе нам хотелось проследить историю развития 3d печати от момента ее появления до сегодняшнего дня, а так же дать прогноз относительно будущего развития технологии.

Первый 3d принтер был изобретен американцем Чарльзом Халом (Charles Hull), он работал по технологии стереолитографии (SLA) патент на технологию был оформлен в 1986 г. Принтер представлял из себя довольно габаритную промышленную установку. Установка «выращивала» трехмерную модель посредством нанесения фотополимеризующегося материала на подвижную платформу.

Основой служил заранее смоделированный на компьютере цифровой макет (3д модель). Данный 3d принтер создавал трехмерные объекты, поднимаясь на 0,1-0,2 мм — высоту слоя. Несмотря на то, что первый аппарат обладал множеством минусов, технология получила свое применение. Чарльз Халл так же является со-основателем компании 3dsystems, одного из лидеров мирового производства промышленных 3д принтеров.

Чарльз Халл был не единственным, кто экспериментировал с технологией трехмерной печати, так в 1986 году Карл Декарт ( Carl Deckard) изобрел метод селективного лазерного спекания (SLS). Подробнее о методе Вы можете узнать в другой статье, вкратце: лазерный луч спекает порошок (пластик, металл и т.д.), масса порошка при этом подоргевается в рабочей камере до температуры, близкой с температурой плавления. Основой так же служит заранее смоделированный на компьютере цифровой макет (3д модель). После прохождения лазером горизонтального слоя, камера опускается на высоту слоя (как правило 0.1-0.2 мм), масса порошка выравнивается специальным устройством и наноситься новый слой.

Однако самым известным и распространенным на сегодняшний день методом 3д печати является послойное направление (FDM). Идея технологии принадлежит Скотту Крампу (Scott Crump), патент датируется 1988 годом.

Подробнее о методе Вы можете узнать в другой статье, вкратце: из нагретого сопла печатающей головки при помощи шагового двигателя подается материал (как правило пластик), печатающая головка перемещается на линейных направляющих по 1 или двум осям, так же по 1 или 2 осям двигается платформа. Основой движения так же служит 3д модель. Расплавленный пластик укладывается на платформу по установленному контуру, после чего головка или платформа перемещаются и поверх старого накладывается новый слой. Скотт Крамп является одним из основателей компании Stratasys, так же являющейся одним из лидеров в производстве промышленных 3д принтеров.

Все описанные выше устройства относились к классу промышленных аппаратов и стоили довольно дорого, так один из первых принтеров 3d Dimension от компании Stratasys 1991 году стоил от 50 до 220 тысяч долларов США (в зависимости от модели и комплектации). Принтеры работающие по технологиям, описанным выше стоили еще дороже и до самого недавнего времени о данных устройствах было известно лишь узкому кругу заинтересованных специалистов.

Все начало меняться с 2006 года, когда был основан проект RepRap (от англ Replicating Rapid Prototyper — само-воспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов), имеющий своей целью создание само-копирующего устройства, которым являлся 3д принтер, работающий по технологии FDM (послойное наплавление). Только в отличие от дорогостоящих промышленных аппаратов он был похож на неказистое изобретение из подручных средств.

Рамой служат металлические валы, они же служат направляющими для печатающей головки. которой управляют простые шаговые двигатели. Программное обеспечение имеет открытый код. Почти все соединяющие детали печатаются из пластика на самом 3д принтере. Данная идея зародилась в среде Английский ученых и ставила своей целью распространение доступных аддитивных технологий, чтобы пользователи могли, скачивая 3д модели в сети интернет, создавать необходимые изделия, максимально сокращая таким образом производственную цепочку.

Оставив в стороне идеалогическую составляющую, сообществу (существующему и развивающемуся по сей день) удалось создать доступный «обычному человеку» 3d принтер. Так набор непечатанных деталей может стоить в районе пары сотен долларов США а готовый аппарат от 500 долларов. И пусть эти устройства выглядели неказисто и существенно уступали по качеству промышленным аналогам, все это доло невероятный толчок для развития технологии 3д печати.
По мере развития проекта RepRap, начали появляться 3d принтеры, взявшие за основу заложенную движением базу в техническом и, иногда, идеалогическом плане (например приверженность концепции открытого кода — OpenSource). Компании, производившие принетры старались сделать их более качественными как в плане рабочих характеристик, так и в плане дизайна и user experience. Первые принтеры RepRap нельзя назвать комерческим продуктом, так как управлять им не так уж просто (а собрать тем более) а добиться стабильных результатов работы получается не всегда. Тем не менее компании старались сократить более чем существенный разрыв в качестве, по возможности оставляя существенный разрыв в стоимости.

Здесь стоит в первую очередь упомянуть о компании MakerBot, начавшейся как startup, взявшей за основу идеи RepRap и мало по малу превратившие их в продукт нового качества.

Их флагманским продуктом (и по нашему мнению лучшим по сей день) остается 3д принтер MakerBot Replicator 2. Модель была выпущена в 2012 г. и позже снята с производства, однако по сей день остается одной из самых популярных моделей 3д принтеров «персонального» сегмента (по данным 3dhubs). Слово «персональный» взято в скобки по причине, что данный принтер, со стоимостью на момент выпуска 2200 долларов США, в основном использовался (и используется) для бизнес целей, однако попадает в персональный сегмент по причине своей стоимости. Данная модель отличается от своих прородителей (RepRap), являясь, по сути, законченным комерческим продуктом. Производители отказались от концепции OpenSourse, закрыв все источники и коды ПО.

Паралельно с выпуском техники компания активно развивала ресурс Thingiverse, содержащий множество моделей для 3d печати, доступных для скачивания бесплатно. В период работы над первым принтером и в дальнейшем сообщество сильно помогало компании, тестируя продукт и предлагая различные апгрейды. После выпуска модели Replicator 2 (и закрытии разработок), ситуация изменилась. Подробнее о истории компании MakerBot а так же других компаний и людей, связанных с 3d печатью, вы можете узнать, посмотрев фильм Print the legend.

В этом фильме также освещается история компании Formlabs, одной из первых начавшей производство доступного 3д принтера, работающего по технологии SLA (стререолитография). Компания собирала средства на первую модель FORM 1 посредством краудфандинга, столкнулась с трудностями производства, но в итоге выпустила доступный и производительный 3д принтер, сократив разрыв в качестве, описанный выше.

И хотя описанные выше 3д принтеры были далеки от совершенства, они положили начало развитию досутпной техники для трехмерной печати, которое происходит и по сей день. В настоящий момент качетсов принтеров технологий FDM и SLA повышается, однако существенного снижения цены уже не происходит, скорее она наоборот немного растет. Наряду с FDM и SLA множество компаний ведет разработки в области спекания порошков (SLS), а так же печати металлом. Несмотря на то, что такие принтеры доступными не назовешь, цена их значительно ниже, в сравнении с аналогами из профессионального сегмента. Стоит так же отметить, развитие линейки материалов, помимо стандартный ABS и PLA пластиков, сегодня используется множество различных материалов, включая нейлон, карбон и другие прочные и тугоплавкие материалы.

3d принтеры персонального сегмента сегодняшнего дня сильно приблизились к профессиональным устройствам, развитие которых так же не останавливается. Помимо компаний «основателей» технологии (Stratasys, 3dsystems) появилось множество небольших компаний, специализирующихся на промышленных технологиях 3d печати (в частности металлом). 3д печать так же привлекает к себе внимание крупных корпораций, которые с разной степенью успешности стремяться занять свое место на растущем рынке. Здесь стоит выделить компанию HP, которая не так давно выпустила модель HP Jet Fusion 3D 4200 завоевавшую популярность среди профессионалов 3d печати (по состоянии на 2018 г. держится в верхней части рейтинга профессиональных 3д принтеров в ежеквартальных отчетах портала 3dhubs).

Однако технологии 3д печати развиваются не только в ширь, но и вглубь. Одним из главных недостатков трехмерной печати, по сравнению с другими методами производства, является низкая скорость создания моделей. Существенным движением вперед в плане ускорения 3д печати стало изобретение технологии CLIP компанией CARBON, работающие по этой технологии принтеры компании могут производить модели в 100 раз быстрее по сравнению с классической технологией SLA.

Так же постоянно происходит расширение линейки, свойств и качества материалов и постобработки изделий. Все это ускоряет переход к использованию 3d принтеров именно в производстве, а не только как аппаратов для прототипирования. Сегодня многие крупные и не только компании и организации тесно используют 3д принтер в своей производственной цепочке: начиная от производителей потребительский товаров NIKE и PUMA и заканчивая BOEING и SPACE X (последняя печатает части двигателей для своих ракет, которые не возможно было изготовить никаким другим образом).

Помимо «классической» области применения 3д печати, сегодня все чаще можно видеть новости о том, как на 3d принтере напечатали дом или какой-нибудь орган (а точнее его маленькую часть) из био-материала. И это действительно так, несколько компаний по всему миру тестируют или уже частично применяют 3д печати в строительстве зданий и сооружений. В основном это касается контурной заливки стен (похоже на метод FDM) специальной композитной бетонной смесью. А в Амстердаме существует проект 3д печатного моста и этот список будет только расширяться со временем, так как применение 3d печати в строительстве способно существенно сократить издержки и увеличить скорость работ на определенных этапах.
Касаемо медицины, здесь 3д печать так же находит применение, однако в настоящий момент это не печать органов, а скорее применение технологии в протезировании (самого различного толка) и замещении костей. Так же технологии 3d печати широко используется в стоматологии (технология SLA). Касательно печати органов, это пока далеко в будущем, в настоящий момент био-3д принтеры это экспериментальные установки на ранних стадиях, успехи которых ограничиваются печатью нескольких ограниченно-жизнеспособных клеток.

Заглядывая в будущее, можно с уверенностью сказать, что технологии трехмерной печати будут расширяться как в ширь так и вглубь, совершенствуя технологии, ускоряя процессы, качество и улучшая свойства материалов. 3д принтеры все больше будут замещать старые методы в производственных цепочках различного масштаба, а мировое производство, благодаря этому, будет двигаться к схеме работы «по требованию» (on demand) увеличивая степень кастомизации изделий. Возможно, когда нибудь, 3д принтеры будут широко применяться и на бытовом уровне для производства необходимых вещей (мечта и цель движения RepRap), однако для этого необходимо не только развитие технологии, но и смена парадигмы общественного мышления, а так же развитие мощной экосистемы проектирования (3д моделирования) изделий (о чем очень часто забывают).

3d печать домов (и прочих сооружений), без сомнения так же будет развиваться, сокращая издержки и сроки производства, что вместе с освоением новых подходов в архитектуре и городском планировании (таких как модульное строительство и метод prefabricated), придаст ощутимый импульс к развитию индустрии в целом.

Биологические 3d принтеры будут выступать важным инструментом в научных исследованиях. Тем не менее, до их появления в больницах и клиниках, где они будут печатать новые органы, еще очень и очень далеко (фактически это научная фантастика).

Источник: 3dmf.ru

3D (3Д) принтер: что это такое, как происходит печать, и что он может печатать

Идея создания объектов в космосе появилась в 1953 году, когда появились первые обычные планарные ADCP. Так что они все еще были черно-белыми, но уже тогда разработчики думали о моделировании по объему.

Ученые из разных стран работали над созданием проекта и его реализацией уже полвека. Первый прорыв был сделан Чаком Халлом, который построил машину на основе лазерной стереолитографии. Суть проекта — использование лазера и жидких фотополимеров. Подвижная опорная плита помогает направлять луч и выравнивать осевые вертикальные полосы в соответствии с заданными расчетами. Далее накладываются горизонтальные пластины, формирующие фактуру.

Полимер затвердевает под воздействием высоких температур слоями не более 0,2 мм. Для равномерного застывания вещества механические щетки работают постоянно, следя за тем, чтобы поверхность была сухой. И без того громоздкий предмет погружается в специальный раствор, чтобы сгладить неровности и устранить излишки. На заключительном этапе образец снова облучается.

Недостатком технологии был несбалансированный состав смолы: фотополимер полимеризовался недостаточно прочно или, наоборот, мгновенно. Преимуществом SLA-принтеров является их скорость работы, но сами оборудование и расходные материалы имеют высокую цену.

Скотт Крамп в конце 80-х создал совершенно новый метод послойного осаждения: FDM. Именно он лежит в основе современных устройств. Вещество, участвующее в работе, — термопласт. Они похожи на моток цельной нити. Они наносятся слоями, повторяя очертания цифровой модели.

Первый принтер в продаже появился в 1995 году. Об этом анонсировала компания 3D Systems. Но продукт «Actua 2100» работал медленно, что было его главным недостатком. И только спустя 10 лет была разработана модель Reprap, в которой были устранены типичные ошибки предыдущей партии. С этого момента в мире науки и производства началась фаза трехмерного моделирования.

Критика и проблемы

❌ Медленно и без гарантии: печать выполняется довольно медленно и недостаточно точно. Большая проблема в принтерах-любителях — это брак. Например, деталь может оторваться от подложки только во время печати, и все черт возьми. Или двигатели не будут откалиброваны, и сопло начнет размазывать нужные участки.

❌ Низкая эффективность: для печати детали размером 10 × 10 см потребуется принтер размером не менее 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.

❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать по-прежнему ограничивается пластиком и смолами. Существуют отдельные технологии печати на основе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь, вам понадобится не 3D-принтер, а обычный токарь и станок. Но не все детали можно сделать на машине.

❌ Не всегда понятно почему. В промышленности для создания прототипов используются 3D-принтеры, но в массовом производстве эти технологии не используются. Даже для домашнего использования непонятно: пластмассовые штучки для любительских проектов распечатывают на 3д принтерах . и все. Очень мало случаев, когда нормальный человек может захотеть распечатать что-нибудь полезное для дома.

Что такое 3d принтер: видео

Существуют различные технологии 3D-печати. Разница между ними заключается в способе нанесения слоев продукта. Рассмотрим основные. Наиболее распространены SLS (селективное лазерное сплетение), HPM (расплавленное наслоение) и SLA (стереолитиография). Самая распространенная технология — стереолитография или SLA из-за высокой скорости построения объектов.

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

Объемная печать, в зависимости от области применения, может использовать разные принципы работы и состав полимеров, но основной технологией остается построение слой за слоем, слой за объектом.

• Создание макета на компьютере в программе автоматизированного проектирования, поддерживающей объемное моделирование. Программа позволяет проводить расчеты на всех уровнях детали, строить слои, а также проводить финальные испытания изделия и рассматривать его со всех сторон в режиме просмотра. Эти возможности принадлежат платформам ZVSOFT. Программа ZW3D — это универсальная полнофункциональная CAD / CAM-система для работы с 3D-моделями. Есть три пакета с разным количеством инструментов: Lite, Standard и Professional. Все они полностью совместимы с принтером благодаря экспорту чертежей в формат STL. Подробнее об этом можно прочитать ЗДЕСЬ.

Разновидности технологий 3Д принтеров

На данный момент конкурируют три типа устройств:

• FDM (моделирование наплавленного осаждения);
• ЛОМ (производство ламинированных изделий);
• SLA и STL (стереолитография).

Также есть такие варианты, как:

• Polyjet;
• ЛИНЗА;
• LS (лазерное спекание);
• 3DP (трехмерная печать).

Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Стереолитографические установки – что это такое для 3D печати

SLA или просто SL — это расширенная родительская система. Ее истоки заложил Чак Халл, но на данный момент многие компании производят техники, основанные на принципе стереолитографии. В его основе все те же материалы: жидкий фотополимер, запеченный пластик и лазер. Луч как бы фиксирует несколько точек в емкости с жидкостью, постепенно поднимаясь снизу вверх, слой за слоем. Оставшийся раствор стекает, оставляя предмет для шлифования.

Это очень эффективный метод с точки зрения точности. Позволяет быстро получить результат с погрешностью всего 10 микрон. Но оборудование дома устанавливают редко, так как работа с едким веществом без соблюдения норм и мер предосторожности чревата ожогами и токсическим отравлением организма.

Лазерное спекание – LS (laser sintering)

Метод аналогичен предыдущему, но улучшен за счет использования не жидкого полимера, а его сыпучей версии. Преимущества нововведения:

• В решении нередки случаи поломки объекта в процессе строительства, так как ничто не поддерживает конструкцию, которая еще хрупкая, но уже тяжелая. В порошке все иначе: деталь не может сломаться, так как опирается на твердое вещество.
• Помимо полимера могут использоваться измельченные частицы бронзы, стали, нейлона, титана.

• Температура плавления очень высока, поэтому объекту потребуется много времени, чтобы остыть.
• Поверхность менее монолитная, в ней больше воздуха.
• Некоторые смеси опасно хранить вне азотного отсека.

Что такое 3Д печать методом послойного наплавления термопласта

Технология LOM предполагает нанесение нарезанных листов бумаги, пластика или алюминия и их последующее склеивание. Точные контуры рассчитываются в специализированных САПР, работающих с 3D-моделями. Функция структурирования простых и сложных объектов по форме • Программное обеспечение ZVSOFT Z jr позволяет создавать органические формы, рисуя эскиз на простой сетке, а затем детально сглаживая линии, обрабатывая детали вручную или автоматически.

Используя специализированные платформы, LOM-моделирование становится простым и доступным.

Технология FDM также работает с термопластами. Его структура состоит из подачи материала (пластиковой нити) через экструдер — печатающую головку механизма. Направленный слой запекается с помощью специальной насадки. Вот так объект создается слой за слоем снизу вверх.

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейного перемещения в трех измерениях.

Устройства оснащены высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за порядок движения этих двигателей.

Автоматическая система перемещает печатающую головку, чтобы сжать материал (например, расплавленный пластик) в нужное время).

Слой за слоем создается фигура, изначально включенная в программу.

В его основе лежит принцип «декартова робота» (устройство, способное перемещаться по декартовым координатам, более известное каждому ученику как декартовы координаты — X, Y, Z).

Примерная схема печатающей головки 3D-принтера

• Экструдер. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Он состоит из термоголовки и блока, сдавливающего пластиковый провод. Это работает так: в принтер загружается катушка с нитью, устройство разматывает и выталкивает ее, подавая на термоголовку (также называемую камерой). Головка обычно представляет собой нагретый алюминиевый элемент, плавящий нить. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие печатающей головки.
• Линейный двигатель. Скорость печати 3D-принтера и срок службы устройства зависят от его типа. Для каждой координатной оси используется отдельный гладкий стержень, работающий совместно с подшипниками. Подшипники доступны из пластика, стали, бронзы и т.д. Бронзовые подшипники труднее всего калибровать во время сборки, но они менее шумные.
• Стоп. Чтобы линейные приводы не выходили за рабочий диапазон, необходимы ограничители — фиксаторы. Они не влияют на функциональность работы, но их наличие делает печать намного точнее и точнее. Есть модели с оптическими или механическими зажимами.
• Платформа. Площадь 100-200 квадратных метров, на которой будет создаваться готовая форма. Производители обычно нагревают платформу — это необходимо, чтобы избежать трещин или разрывов модели, обеспечить сцепление между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Платформа обычно изготавливается из алюминия или стекла, вещества с хорошей теплопроводностью.

Какой 3D-принтер лучше выбрать для бытового использования?

Забегая вперед, мы видим, что, хотя стоимость домашних 3D-принтеров остается относительно высокой, у нас есть все шансы увидеть снижение стоимости технологий в будущем. Помните, когда появились сотовые телефоны, они были доступны только очень богатым.

Цели использования домашнего 3D-принтера могут быть абсолютно любыми — от просто побаловать себя и узнать о новых технологиях до печати полезных мелочей для дома и прототипов моделей для бизнеса. В любом случае при выборе обратите внимание на следующие ключевые особенности устройства:

• разрешение печати (точность печати) — это минимально возможная высота слоя, которую может печатать принтер. Задает разрешение в микрометрах (тысячные доли миллиметра). Чем меньше высота слоев, тем менее заметен переход между ними и тем более гладкой будет поверхность печатаемого объекта. С другой стороны, чем меньше слой, тем дольше принтер будет печатать и тем больше будет нагрузка на все его элементы. Разрешение зависит от технологии (SLA позволяет печатать более точно, чем FDM), точности печатающей головки, настроек программного обеспечения и выбранных носителей для печати;
  Образцы с разной толщиной слоя
• скорость печати напрямую зависит от точности: чем выше точность, тем медленнее скорость роста модели.
• область печати указывает размер объекта, который можно распечатать на принтере. Другими словами, это область возможного действия печатающей головки по горизонтальным осям X и Y, а также по вертикальной оси Z. Обычно область печати выражается тремя числами: это высота, длина и ширина обычного параллелепипеда (например 20 * 30 * 30 мм). Для дельта-принтеров область печати имеет форму цилиндра, поэтому указываются высота и диаметр;
• тип пластика, используемого для печати. В бытовых условиях используются пластмассы и это могут быть пластмассы ABS и PLA, некоторые модели могут печатать обоими типами материалов. Возможность печати тем или иным типом пластика объясняется наличием или отсутствием подогрева платформы. Если вы еще не определились, что будете печатать, то лучше выбрать шаблон, поддерживающий максимальное количество материалов;
• страна-производитель. Европейские страны и США производят качественные, но дорогие устройства, их завозят в небольших количествах, обслуживание затруднено. Китайские аппараты дешевы, качество зачастую оставляет желать лучшего, но баловаться такими принтерами можно. Есть и принтеры российского производства — хорошим качеством, удобством обслуживания.

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Самый удобный и поэтому наиболее распространенный метод 3D-печати, при котором готовый объект создается из жидкого пластика или композитных материалов, которые проходят через печатающую головку и слой за слоем отверждаются лазером. Готовый слой сдвигается вниз и печатается новый, и так до тех пор, пока не будет готов весь элемент. Принтеры FDM — один из самых простых способов 3D-печати, вы даже можете собрать такие устройства самостоятельно. Ну или покупать готовые решения, коих на рынке очень много.

Стереолитография (SL или SLA)

По принципу действия этот вид 3D-печати аналогичен предыдущему, только в качестве исходного материала используется жидкая смола (акрил, эпоксидная смола, винил) или пластик. Луч лазера «варит» сырье слой за слоем, образуя готовый объект. Затем его смывают от остатков смолы или пластика и, наконец, отверждают ультрафиолетом. Стереолитография позволяет печатать элементы с мельчайшими деталями, и после завершения всех процедур готовая деталь становится прочной и устойчивой к химическим веществам, но обратной стороной является очень высокая стоимость таких 3D-принтеров.

Cелективное лазерное спекание (SLS)

Другой метод послойной печати объектов, при котором лазер расплавляет порошок — металл, пластик или керамику — слой за слоем, образуя готовый объект. Есть метод плавления (SLM), который отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чистым металлическим порошком без добавок: так формируются монолитные элементы, лишенные пористости, характерной для обычного спекания.

Обычно толщина нити и самих слоев составляет доли миллиметра: типичный диаметр сопла составляет от 0,3 до 0,8 мм, а толщина слоя составляет от 50 до 300 мкм. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 80 до 100 мкм. Само собой разумеется, что печать тонкой нитью занимает много времени. Фактически, типичный производственный цикл можно легко измерить часами или даже более суток: все зависит от диаметра выбранного сопла, толщины отдельных слоев и размера самого продукта. Чем толще нить и слои, тем меньше времени потребуется на печать, но качество поверхности также будет ниже.

Из чего создаются изделия

Базовый материал может отличаться. Самый популярный и стартовый элемент — фотополимер. Он прост в обращении, имеет низкую температуру плавления и удобен для последующей обработки — шлифования. На смену ему пришел термопласт (типы АБС и ПЛА) — улучшенный материал с рядом преимуществ, в частности, он безопаснее и экологичнее.

Также его можно использовать:

• нейлон — высокая прочность и износостойкость;
• поликарбонат — широкий, комфортный для изделия температурный диапазон от -100 до +115 градусов;
• полиэтилен;
• поливиниловый спирт: быстро схватывается, но растворяется при контакте с водой;
• целлюлоза;
• полипропилен нетоксичен и недорог;
• flex — очень гибкий и эластичный;
• HIPS — удобен для многоуровневых конструкций со сложными шпилями и опорами;
• стеклофил — прозрачный и невосприимчивый к ультрафиолету, механическим воздействиям и бактерицидным воздействиям, поэтому часто используется в медицине;
• керамический состав — содержит только керамические частицы, но при штамповке создает эффект камня;

• ПВС — быстро растворяющийся полимер, пригодный для временного склеивания элементов конструкции;
• ПВД — тонкий пластик, подходящий для вентилируемой упаковки продукции;
• ПЭТГ — полупрозрачный материал, образующий красивую глянцевую поверхность, подходящую для декоративных элементов;
• полиоксиметилен: стойкий, как металл, но легкий в обращении и легкий;
• ДЕРЕВО — аутентичная имитация дерева с сохранением свойств исходного материала, то есть с сильными характеристиками влагопоглощения;
• ABS Antistatic — это распространенный полимер с антистатическим эффектом для изоляции от электричества;
• GLOW — люминесцентное вещество, способное поглощать и излучать свет;
• металл — в составе присутствуют элементы бронзы, алюминия и других веществ, на выходе предмет, напоминающий настоящее металлическое изделие.

для программ проектирования FORUM для программы ZWCAD KNOWLEDGE BASE

Типы 3D-принтеров и особенности печати каждого

Очень часто сегодня используют технологию печати FDM и печать SLA. Что скрывается за этими непонятными сокращениями и какие еще разработки существуют в этой области?

Метод FDM-печати

Технология FDM (Fused Deposition Modeling) — это технология нанесения волокон. Сегодня этот метод 3D-печати считается самым распространенным, но в то же время относится к одним из самых старых методов. Принцип заключается в послойном сплавлении пластиковой нити по контуру модели.

Для печати используются термопластические материалы, поставляемые в виде катушек или стержней. Чаще всего PLA и ABS формуются из пластиков, в том числе нейлона, полиамида, поликарбоната, ПЭТ (также известного как полиэтилентерефталат, который используется для изготовления пластиковых бутылок) и некоторых других веществ.

Принцип работы следующий:

• прядь материала помещается в экструдер, где она плавится под действием нагревательного элемента и затем выдавливается через сопло к рабочей поверхности;
• экструдер движется по пути, заданному программой, и строит объект слой за слоем;
• если необходимо напечатать сложный объект, то можно использовать два типа материала: один для модели, второй для создания опор (обычно он растворимый или просто очень легко отделяется от объекта). Носитель необходимо печатать, если у объекта есть элементы, подвешенные в воздухе, которые невозможно создать без элементов поддержки — принтеру просто не на чем будет печатать. Все наглядно представлено на рисунках ниже;
• после образования первого слоя платформа опускается на толщину одного слоя и экструдер выдавливает новую порцию материала, процесс повторяется многократно;
• по окончании печати осталось разделить вспомогательные элементы.

Шаблон

Модель и несущие элементы

Технология FDM позволяет использовать для производства термопластов, поэтому печатные объекты получают отличную механическую, химическую и термическую стойкость. Технология проста, понятна и подходит для использования в офисе или дома.

3D-ручки работают точно так же. На самом деле это миниатюрные принтеры. Эти ручки предназначены для рисования трехмерных рисунков. Пользователь может моментально выдавливать застывающий пластик, придавая ему любую форму и получая забавные изделия. Устройство больше предназначено для объятий, но идея интересная и дизайнеры могут сделать много интересных предметов для домашнего декора.

Метод SLA-печати, или стереолитография

Технология SLA (лазерная стереолитография) предполагает использование жидких фотополимерных смол для печати, которые имеют тенденцию затвердевать под воздействием лазера или аналогичного источника энергии. Метод позволяет получать объекты с очень точной геометрией, так как толщина слоя может достигать рекордных 15 мкм, поэтому он уже широко применяется в стоматологии при изготовлении имплантатов и в ювелирных изделиях для создания зазоров с обилием сложных части.

Принцип работы 3D-принтеров методом лазерной стереолитографии кратко можно описать следующим образом:

• рабочая площадка погружается в ванну с жидким фотополимером на толщину одного слоя (15-150 мкм);
• воздействие лазера на стены будущего объекта. Лазерный луч буквально отслеживает форму объекта на фотополимере, которая, в свою очередь, задается программным обеспечением. Лазерное облучение вызывает полимеризацию материала в точках контакта с лучом и затвердевание;
• платформа немного глубже погружается в ванну жидкого фотополимера, и глубина погружения соответствует размеру слоя. Лазер по-прежнему воздействует на участки материала, которые должны быть частью печатаемого объекта;
• процесс повторяется слой за слоем, пока моделируемый объект не будет напечатан;
• технология также требует печати опорных элементов. Они сделаны из того же фотополимера;
• после завершения печати объект погружается в ванну в специальных растворах для удаления излишков и очистки модели;
• финал — ультрафиолетовое облучение для окончательного затвердевания фотополимера.

Технология прогрессивная, но требует покупки дорогих расходных материалов.

Другие типы печати

Менее распространены, но не менее интересны и перспективны следующие способы трехмерной печати:

• SLS — Технология селективного лазерного спекания. Он заключается в нанесении на рабочую поверхность тонкого слоя плавкого порошкового материала (пластмассы, керамики, стекла или металла), который спекается под действием точечного лазерного луча. После формирования первого слоя рабочая площадка опускается и создается следующий слой. Технология не требует создания несущих конструкций, но очень дорога, требует дополнительной термообработки и не подходит для домашнего использования;
• EBM — технология слияния электронных лучей. Он чем-то похож на предыдущий метод, но здесь слои объекта формируются путем сплавления металлического порошка в вакууме электронным лучом. После печати не требуется термообработка;
• SLM — технология селективного лазерного плавления, напоминает технологию SLS, но здесь используются только металлические порошки, используются более мощные лазеры, термообработка после печати не требуется;
• LOM — это технология ламинированной печати. Под действием давления или нагрева тонкие пленки рабочего материала (полимерная пленка, ламинированная бумага) склеиваются, и с помощью лазера или режущих элементов вырезаются необходимые контуры объекта. Кроме того, вы можете вырезать части внутри объекта, однако это не всегда легко сделать. Технология избавляет от необходимости печатать опорные конструкции;
• 3DP или 3D-печать — это технология, аналогичная SLS, но в ней не используется сплавление: объект формируется из порошкового материала путем нанесения клея с помощью струйной печати. Поскольку в клей можно добавлять красители, открывается возможность цветной 3D-печати.

Основный принцип работы

• объект моделируется на компьютере в специальной программе CAD;
• готовый объект, сохраненный в специальном формате, нарезается программой-слайсером, поставляемой с устройством, а толщина каждого слоя определяется возможностями 3D-принтера и выбранными настройками;
• каждый слой транслируется в двоичный код команды, который принимается устройством и в соответствии с которым, согласно координатам, наносится слой материала;
• объект формируется слой за слоем.

Технологии трёхмерной печати

В 3D-печати используются некоторые технологии. Технология и технология зависят от материала, используемого для печати.

В настоящее время для этого можно использовать: пластмассовые нити, фотополимерные смолы, сплавы металлических порошков; композитная пудра из гипса, воска, а также различных строительных и кулинарных смесей.

Самые известные технологии 3D-печати:

• FDM;
• SLS и SLM;
• ламинация;
• фотополимерная печать;
• печать на гипсе;
• строительная печать бетоном и др.

Послойное наплавление

Самая простая и популярная технология печати — это FDM или Fused Deposition Technology.

Он заключается в подаче нити на специальный нагревательный элемент.

Экструдер используется для нанесения расплавленного пластика на заданную область печати. Экструдер соединен с печатающей головкой, которая перемещается горизонтально по области печати. Как только слой будет напечатан, платформа построения уменьшит размер слоя, и работа возобновится.

Этот вид печати самый удобный. И устройства на его основе самые дешевые. Именно поэтому такие 3D-принтеры наиболее востребованы для домашнего и домашнего использования, то есть для личного пользования.

Интересные варианты бытовых 3D-принтеров

MakerBot Replicator 2

Высококачественный принтер американского производства, печатает по технологии FDM, минимальная толщина слоя 100 микрон (0,1 мм). Площадь печати — 285 * 153 * 155 мм, для печати используются пластики PLA и ABS. Максимальная скорость печати составляет 40 мм в секунду или 24 см3 / час. Корпус стальной, есть ЖК-экран, вес 11,5 кг.

Несмотря на то, что модель была выпущена в 2013 году, ее до сих пор активно используют для домашней печати. Стоимость 3100$.

PrintBox3D One

Принтер отечественного производства, печать по технологии FDM, минимальная толщина слоя 50 мкм, размер рабочей площадки 185 * 160 * 150мм. Печатное устройство из пластика ABS и PLA оснащено платформой с подогревом. Приблизительно 1700 долларов США, предназначенные для использования в образовательных и дизайнерских целях.

Wanhao Duplicator i3 v2

Доступный вариант для тех, кто хочет освоить технологии и побаловать себя. Стоит около 500 долларов, печать разными видами пластика с точностью до 100 мкм, площадь печати 200 * 200 * 180мм. Качество сборки отличное.

PICASO 3D Designer

При печати с использованием технологии FDM, как и во всех современных домашних 3D-принтерах, для печати используются пластмассы ABS и PLA, включая нейлон. Точность печати 50 мкм, рабочая площадка 200 * 200 * 210мм, максимальная скорость 30см3 / час. Устройство оснащено подогреваемой платформой, стоит 1700 долларов$.

3D принтер Hercules

Неплохой аппарат от российской компании IMPRINTA, печать разными видами пластика, точность печати — 50 мкм. Платформа подогревается, максимальная температура 1200С. Скорость печати — 40 см3 / час. Цена 1150$.

Как создаются модели для печати?

Сначала с помощью программы CAD создается 3D-модель объекта и сохраняется в специальном формате STL. Затем файл STL загружается в программное обеспечение для резки для принтера, такое как Cura или Slic3r. Программное обеспечение для резки позволяет задавать физические свойства модели, такие как плотность заполнения или использование опорных конструкций.

Программа преобразует 3D-модель в код G. Содержит инструкции для экструдера по моделированию каждого слоя модели. Код загружается в принтер, устройство загружается и начинается печать.

Как работает 3D принтер? Просто о сложном

Короче говоря, 3D-принтер — это устройство для создания трехмерных объектов путем послойной печати. Ассортимент материалов, используемых для печати, постоянно расширяется, и мы можем смело предположить, что в будущем он будет включать в себя большинство известных нам веществ. Термопласты и фотополимеры по-прежнему остаются самыми популярными материалами для печати.

Общий принцип работы 3D-принтера можно представить следующим образом:

1. создать модель желаемого объекта в специальной программе для 3D моделирования;
2. разработка модели, созданной программным обеспечением («Генератор G-кода»), в ходе которой она разбивается на несколько горизонтальных слоев и преобразуется в цифровой код, который становится командой для принтера, как и куда наносить материал;
3. печать, представляющая собой формирование объекта методом наслоения материала. В зависимости от типа принтера характеристики печати могут отличаться, но общий принцип заключается именно в нанесении слоя за слоем. Печатающая головка перемещается только в горизонтальной плоскости (по осям X и Y), подает материал и наносит его, как указано в программе. Когда слой нанесен полностью, платформа построения перемещается вниз (по оси Z) ровно на одну толщину слоя, и печатающая головка применяет следующий слой и так далее, пока объект не будет полностью отформатирован.

Возможности печати зависят от технологии, которую использует ваш принтер, поэтому на данный момент имеет смысл рассмотреть наиболее распространенные.

Фотополимерная печать

Фотополимерная печать осуществляется несколько иначе. Материал также наносится послойно, но изначально он находится в жидком состоянии в специальной ванне. Слой за слоем на материал воздействуют лазерным или ультрафиолетовым лучом, и платформа поднимается. То есть объект, так сказать, вырос. Под воздействием излучения материал полимеризуется и затвердевает.

Поскольку эта технология позволяет получать изделия с высочайшей точностью, в том числе тонкостенные, она более перспективна и имеет большие возможности. Именно она применяется на сложных производствах и предприятиях.

Такие устройства востребованы и в области медицины, открывая широчайшие возможности для производства высокоточных хирургических шаблонов и даже протезов.

Как запрограммировать 3D-принтер

Краткая инструкция по настройке принтера:

1. Выберите 3D-модель. Вы можете самостоятельно нарисовать изделие в специальном редакторе САПР или найти готовый чертеж — в Интернете полно моделей разной сложности.
2. Подготовьте 3D-модель к печати. Делается это методом нарезки (срез — деталь). Например, чтобы распечатать игрушку, ее модель нужно «разбить» на слои с помощью программ нарезки и отправить на принтер. Вкратце, слайсер показывает принтеру, как печатать объект: какой контур перемещать печатающую головку, с какой скоростью, какую толщину слоя делать.
3. Перенесите модель в принтер. Из слайсера трехмерный рисунок сохраняется в файле под названием G-code. Компьютер загружает файл на принтер и начинает 3D-печать.
4. Посмотри на печать.

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Различают разные схемы 3D-печати, основанные на движениях платформы и печатающей головки, которые могут перемещаться относительно друг друга в разных плоскостях.

Существует четыре основных схемы печати:

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

I схема

Платформа фиксированная, положение по осям x, y, z изменяет только экструдер. Особенностью модели является наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трех стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, установленном на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Плюсы: быстрая скорость печати, хорошая точность.

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка находится над платформой и может перемещаться слева направо, вперед и назад, а платформа — вверх и вниз.

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как и в предыдущем типе, умеет перемещаться влево или вправо, а также изменять свое положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, может двигаться вперед или назад без изменения высоты.

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

Последняя схема предполагает использование стационарной платформы. Как и в случае схемы Дельта, экструдер может перемещаться по трем осям x, y, z, но в этом случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

Как работает 3D принтер?

3D-печать — мощная альтернатива традиционному прототипированию и мелкосерийному производству. Трехмерный или трехмерный принтер, в отличие от обычного, который отображает на бумаге двухмерные рисунки, фотографии и так далее, позволяет просматривать объемную информацию или создавать трехмерные физические объекты.

В настоящее время оборудование этого класса может работать с фотополимерными смолами, различными видами пластиковых нитей, керамическим порошком и металлической глиной.

Технология НРМ (FDM) HPM

Он позволяет создавать не только модели, но и готовые детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластов. Это единственная технология, в которой используются термопласты для обеспечения беспрецедентной механической, термической и химической стойкости деталей. Печать HPM отличается чистотой, простотой использования и удобством использования в офисе.

Детали из термопласта устойчивы к высоким температурам, механическим воздействиям, различным химическим веществам, влажной или сухой среде. Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами.

3D-принтеры HPM создают детали слой за слоем, нагревая материал до полужидкого состояния и сжимая его в соответствии с траекториями, созданными компьютером. Для печати по технологии HPM используются два разных материала: один (основной) будет состоять из готовой детали, а второй — вспомогательный, используемый для поддержки.

Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая перемещается в соответствии с изменениями координат X и Y и сплавляет материал, создавая текущий слой до тех пор, пока основание не опустится и не начнется следующий слой. Когда 3D-принтер завершит создание детали, остается механически отделить вспомогательный материал или растворить его очистителем, после чего изделие готово к использованию. Примечательно, что сейчас популярны не только автоматические настольные принтеры HPM, но и устройства для ручной печати. Причем правильнее было бы называть их не печатающими устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов.

Ручки изготавливаются так же, как и принтеры для расплавления. Нить вставляется в ручку, где она плавится до нужной консистенции и тут же выдавливается через миниатюрную насадку! При правильном умении вы получите такие оригинальные декоративные фигурки:

И, конечно же, как и технология, сами принтеры отличаются друг от друга. Если у вас есть принтер SLA, технология SLS не может быть применена к нему, то есть каждый принтер создается только для определенной технологии печати.

Области применения 3D печати

Есть много областей, где внедряются новые технологии, самые популярные из которых:

• Лекарственное. Производство протезов по индивидуальному заказу началось очень давно. Такие искусственные части тела практически не отличаются от натуральных.
• Лекарства. За материал берется биологически активная добавка. Следовательно, запрошенный элемент восстанавливается в точном размере.
• Машиностроение и технологии. Сложные в производстве запасные части и узлы стало проще изготавливать с помощью печати, чем в нескольких мастерских.
• Предметы одежды и обуви. Раньше было налажено производство крепежа и декоративных деталей, но с появлением тончайшего полимера стали выпускать целые модели.
• Предметы искусства.
• Биопечать — новое направление в медицине. Работа проводится с использованием тканей, похожих на живые.

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

Вкратце, это построение реального объекта по 3D-модели, созданной на компьютере. Затем цифровая трехмерная модель сохраняется в формате файла STL, после чего 3D-принтер, на котором файл выдается на печать, формирует реальный продукт. Сам процесс печати представляет собой серию повторяющихся циклов, связанных с созданием трехмерных моделей, нанесением слоя расходных материалов на рабочий стол принтера (подъемник), перемещением рабочего стола до уровня готового слоя и удалением отходов с поверхность стола. Циклы следуют друг за другом непрерывно: следующий слой наносится на первый слой материала, подъемник снова опускается и так далее, пока готовое изделие не окажется на рабочей поверхности.

Источник: vseproprintery.ru