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

История появления 3D принтера

В 1980 году японец Хидео Кодама, врач из научно-исследовательского института Нагои, применил методы послойной объемной печати моделей (прототипирования). В этом году он опубликовал статью «Визуализация данных в 3D путем автоматической подготовки 3D-модели» с описанием своих экспериментов.

В другой публикации Kodama представила метод автоматического изготовления фотоотверждаемых 3D пластиковых деталей. На практике в публикации описан принцип работы 3D-принтера: использование фотополимеров для получения моделей, использование лазерного излучения для их полимеризации, последовательность нанесения слоев. Компания Kodama подала заявку на регистрацию изобретения, но так и не получила патента, тем самым потеряв право претендовать на первенство в изобретении технологии 3D-печати.

В 1984 году французские ученые Ален Ле Меаю, Оливье Де Витте и Жан-Клод Андре запросили регистрацию системы быстрого прототипирования с использованием стереолитографии, наслоения полимеров, отвержденных лазером. Заявление было отклонено после рассмотрения крупными французскими компаниями на предмет «отсутствия перспектив исполнения».

Две недели спустя американец Чак Халл подал заявку на патент на разработанную им систему стереолитографического моделирования, в которой слои добавлялись с использованием метода полимеризации жидких фотополимеров с помощью ультрафиолетового лазера. Халл получил патент в 1986 году. Изобретатель основал компанию (ныне 3D Systems) для производства своих систем. Это были первые 3D-принтеры, выполненные по схеме SLA (лазерная стереолитография). Еще одной заслугой Hull стало использование G-кода, позволяющего печатать конечный продукт определенной формы.

В конце 1980-х годов были запатентованы два других метода быстрого прототипирования: система селективного лазерного спекания (SLS) американца Карла Декарда и модель наплавления (FDM), автором которой был американец Скотт Крамп. Метод SLS заключается в послойном спекании металлического или пластмассового порошка под воздействием лазерного излучения в виде будущей детали. С помощью метода FDM нагретый пластик, который печатает 3D-принтер, наносится от печатающей головки на предыдущий слой.

Вышеупомянутые методы являются фундаментальными, на них основано большинство технологий объемной печати. Подробнее о них речь пойдет ниже, а теперь несколько слов о зигзагах технического прогресса.

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

Дело в том, что обладателями патентов на базовые технологии прототипирования стали 3 человека: Чак Халли, Карл Декард и Скотт Крамп. Кроме того, в 2001 году Карл Декард продал свой патент Чаку Халли. Компании, ориентированные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) найти способы ведения переговоров с правообладателями. В связи с этим уже давно выпускаются преимущественно дорогие промышленные агрегаты.

Все изменилось после 2010 года, когда истек срок действия патентов и появились первые серийные принтеры. Люди начали интересоваться, что такое 3D-печать.

Увидев, что такое 3D-принтер, многие захотели купить такое устройство. Рынок отреагировал быстро. Сейчас он быстро насыщается, и поэтому цены падают.

Как это работает

Рассмотрим подробнее принципы работы 3D-принтера, типы используемых технологий, их достоинства и недостатки.

Технология объемной печати SLA

Метод предполагает использование в качестве рабочего материала жидкого фотополимера, который полимеризуется под действием лазерного излучения ультрафиолетового спектра. Объемная печать выполняется последовательно, за один проход лазер отверждает слой полимера. Затем подвижное основание погружается в жидкий полимер на толщину одного слоя и процесс повторяется.

Преимущества:

• система обеспечивает качественную поверхность готового изделия любой формы, не требующую дополнительной обработки;
• механическая и термостойкость (до 100 градусов С) конечного продукта;
• возможность производить сложные и многоуровневые готовые изделия;
• без отходов.

Недостатки:

• в качестве рабочего материала используются только фотополимеры;
• нет объемной цветной печати;
• низкая рабочая скорость (от двух до трех см в час);
• высокая цена устройства и рабочих материалов (минимальная стоимость устройства для общего потребления около 300 тысяч рублей).

Технология объемной печати SLS

В системе печати SLS используются различные рабочие материалы: металлический порошок, стекло, пластик и так далее с диаметром частиц около 100 микрон.

Перед использованием порошок помещается в специальную форму, нагретую почти до температуры плавления, что необходимо для снижения мощности лазера. Специальный валик разравнивает пудру. Части объекта спекаются с помощью лазерного импульса. Затем стол опускается на толщину слоя, порошок снова распределяется сверху и цикл повторяется.

Технология 3D-печати SLS не обеспечивает высокого качества. Требуется дальнейшая обработка конечного продукта. Часто используется рабочий материал со специальными полимерными добавками, для удаления которых продукт необходимо прокалить в специальной печи.

Разработана и внедряется технология использования пучка высокоэнергетических электронов вместо лазерного излучения. Этот метод требует использования вакуумной камеры, но позволяет изготавливать детали из твердых металлов, в том числе из титана.

Преимущества:

• Возможность получения готового изделия сложной формы из самых разных рабочих материалов;
• Высокая скорость работы (по сравнению с SLA;
• Может использоваться для мелкосерийного производства;

Недостатки:

• Высокая мощность лазера, что может быть опасно при эксплуатации;
• Поверхность готового изделия требует дальнейшей обработки;
• Длительные этапы до и после обработки (необходимо нагреть порошок и отжечь изделие в духовке);
• Высокая стоимость (минимум около 1 миллиона рублей).

Технология объемной печати MJM (метод многоструйного моделирования)

При этом методе объемной печати сопла малого диаметра размещаются на головке печатающего устройства в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен сопел.

Рабочий материал — различные пластмассы, фотополимеры, специальные воски или их комбинации. Из-за мягкости рабочего материала для получения предметов сложной формы требуются опорные конструкции.

Принтер оснащен УФ-лампой для отверждения 3D-фотополимера.

Вы можете печатать в цвете, который зависит от используемых материалов или их сочетания.

Преимущества:

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

Недостатки:

• Опорные конструкции необходимы для прототипирования объектов сложной формы;
• Небольшая подборка рабочих материалов для работы.

Технология объемной печати LOM (метод послойного склеивания пленок)

Этот метод объемной печати предполагает использование в качестве рабочего материала листов бумаги или пластика (в некоторых системах используется пленка). С помощью роликов они протягиваются по покрытой клеем поверхности платформы. Лист закатывается нагретым валиком и приклеивается к предыдущему слою.

Затем лазер вырезает лишний материал по определенной программе, платформа опускается до толщины используемого листа и весь цикл повторяется.

Технология гарантирует высокую скорость работы. Очень дешевые расходники. Однако широкого распространения система не получила.

Преимущества:

• Готовый продукт можно распечатать в цвете;
• Наличие рабочего материала;
• Возможность создавать большие объекты сложной формы;
• Никаких опорных рам не требуется.

Недостатки:

• Низкая стойкость готового продукта;
• Во время дополнительной обработки на поверхности предмета могут появиться дефекты;
• Большое количество отходов.

Технология объемной печати СJP

В устройстве, работающем по данной технологии 3D-печати, рабочим материалом является гипсовый композит. Метод предполагает соединение слоев путем склеивания специальным веществом. Сначала на всю поверхность платформы наносится композитный порошок. Затем ее выравнивают специальным приспособлением.

Печатающие головки принтера наносят жидкое связующее по заданному контуру. Затем платформа опускается, рабочий материал снова выравнивается, цикл повторяется. Готовое изделие требует дальнейшей обработки: нагревания до высыхания клея и механического удаления излишков пыли. Технология CJP поддерживает объемную цветную печать. Для этого в клеевой состав вводятся красители или их комбинации, позволяющие получить широкую цветовую гамму.

Преимущества:

• Возможность создавать сложные и красочные предметы различной формы без опорных элементов.

Недостатки:

• Ограниченный выбор рабочего материала;
• требуется дальнейшая обработка готового продукта
• Низкая стойкость готового продукта.

Технология объемной печати FDM

Принтеры FDM неофициально известны как термопринтеры. Они очень популярны благодаря невысокой стоимости: устройство можно купить от 500 долларов. Как работает термопринтер?

Рабочим материалом здесь являются легкоплавкие пластмассы. Есть устройства для 3D-печати, которые работают с легкоплавкими металлами.

Печать выполняется послойно. Для каждого нового слоя рабочий материал в печатающей головке устройства нагревается и наносится на модельный слой через сопло с одним или несколькими отверстиями. Двигаясь по заданной траектории, голова наносит ее на весь контур детали. Затем стол опускается (в некоторых системах поднимается голова) и процесс повторяется до получения окончательного результата

Преимущества:

• Высокая стойкость готового продукта;
• Возможность изготавливать крупногабаритные изделия и изделия сложной формы;
• Разнообразие рабочих материалов;
• Бюджетный.

Недостатки:

• Низкая рабочая скорость;
• Значительные неровности поверхности готового изделия;
• Опорные элементы необходимы для объектов сложной формы;
• Усадка (уменьшение размеров после охлаждения) готовой продукции;
• требуется дальнейшая обработка готового продукта.

Виды и типы

Виды по технологии печати

Существует десяток технологий 3D-печати:

• FDM. Работа основана на затвердевании материала при охлаждении. Дозирующая головка слой за слоем наносит нагретый материал на основу. Слои прилегают друг к другу и быстро остывают. Поддерживается многоцветная печать. FDM-принтеры включают в себя Makerbot, кулинарные (для работы с шоколадом, глазурью) и медицинские (жидкоклеточная гель-печать) принтеры, принтеры Stratasys.
• Polyjet. В 2005 году появилась технология создания космических объектов путем полимеризации фотополимера под действием лазерного излучения. Фотополимер в основном используется в медицине: он легкий и хрупкий, а технология печати обеспечивает максимальную детализацию прототипа.
• MJM. Многоструйное моделирование путем подачи материала через десятки микроскопических сопел. Из-за хрупкости готовых моделей и дороговизны расходных материалов технология применяется редко, за исключением создания силиконовых форм для литья.
• Объектив. Выдавленный из сопла расходный материал облучается лазером и сразу же спекается. Создавайте предметы из металлического порошка (частицы титана, стали). Порошки можно смешивать, создавая сплавы, уже во время печати изделия.
• LOM. Ламинирование — формирование композиции из ламинированных листов. Необходимые детали вырезаются лазером, накладываются внахлест и вклеиваются (запрессовываются) в будущую модель. В качестве расходных материалов используется бумага, алюминиевая фольга, спекающаяся под воздействием ультрафиолета, пластик. Преимущество метода — экономичная цена расходных материалов (бумаги).
• SLA. Стереолитография или фотополимеризация: прототип выращивают на сетке, помещенной в жидкую ванну. Сначала его покрывают слоем материи толщиной до 0,13 мм (разрешение). Сверху лазер обрабатывает участки полимера, требующие упрочнения. Платформа опускается на 0,05-0,13 мм в зависимости от разрешения и процесс повторяется. Деталь требует постобработки — ректификации, иногда обработки в ультрафиолетовой печи. Это не позволяет печатать двумя материалами или цветами.
• ЖК-дисплей. Ультрафиолетовая светодиодная матрица освещает фотополимерный материал через ЖК-экран. Последний контролирует степень поляризации света по всей его площади, формируя матрицу будущего слоя деталей.
• DLP. Тип SLA-печати, при котором в качестве источников используются жидкие фотополимерные смолы. Обычный видимый свет используется для отверждения (отверждения) полимера. Модель может формироваться как на восходящей, так и на нисходящей платформе.
• SLS. Это относится к методам прототипирования, основанным на совмещенном порошковом слое, спеченном лазерным лучом. Технология позволяет работать с керамикой, металлическими порошками, стеклом, пластиком, получать мелкие и сложные детали. Сырой порошок сводит к минимуму количество расходных материалов.
• EBM — электронно-лучевая плавка металлического порошка в вакуумной камере. Для изготовления модели использована металлическая глина: металлический порошок, органический клей и вода. Из-за нагрева смеси вода с клеем испаряется, и стружка плавится.
• 3DP. 3D струйная печать. Он заключается в чередовании нанесения слоев пудры и клея. В результате получилась модель из гипсового материала. Поддержка многоцветной печати, в качестве пудры используются резина, пластик, дерево, сахар.
• Цветной. Цветные методы включают следующие методы: FDM, 3DP, EBF, LOM, MJM. Для создания цветных прототипов требуются машины с несколькими экструдерами. Второй способ — сублимация: нагревание красителя в нужных местах до испарения.

По типу применяемых расходников

В качестве расходных материалов используются разные материалы.

Порошки	Печатающая головка наносит слой клея на основу в нужных местах, валик наносит слой порошка (металлического порошка), спеченного с веществом.
Штукатурка	Предыдущий вариант, где вместо металлического порошка требуется штукатурка, мастика, цемент со вяжущим составом.
Полимеры	Жидкие фотополимеры затвердевают под воздействием электромагнитного излучения (метод SLA). Сплавленные пластиковые нити (PLA, PVA, ABS) наносятся слоями на основу и быстро затвердевают.
Воск	Удобный литейный материал для высококачественных деталей, прост в обработке.

По конструкции

Есть несколько моделей 3D-принтеров.

• RepRap. Самовоспроизводящаяся машина, способная печатать детали, необходимые для создания ваших собственных копий. Они создают 3D-принтеры для массовой эксплуатации с минимальными затратами. Поставляется в виде набора металлических компонентов без пластиковых элементов (может быть отформован) и иногда даже электроники. Сборка трудоемка, экономична.
• Комплект для рукоделия. Устройства поставляются в форме производителя с инструкциями по сборке. На сборку принтера уйдет несколько часов или дней. Кроме того, многие соединения «защищены» от плохих соединений. В качестве расходных материалов используются пластмассы и другие полимеры с низкой температурой плавления. Достоинства: полная комплектация, после сборки вы сможете самостоятельно решить некоторые проблемы. Стоит дешевле, чем модель в сборе.
• Готовый. Готовые модели высокого разрешения с закрытой рабочей камерой. Они работают с нейлоном и пластиком. Это будет стоить около 1000 долларов или больше.
• Торгово-промышленный. Промышленные устройства могут печатать металлом, гелями с живыми клетками, полимерами с разными свойствами: более высокая механическая прочность, растворимость в воде. Они используются в производстве, авиакосмической, ювелирной, кухонной, литьевой.

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 прямо 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 требуется 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: мелочи из пластика печатают на 3D-принтерах для любительских проектов . и все. Очень мало случаев, когда нормальный человек захочет распечатать что-нибудь полезное для дома.

Управление процессом объемной печати

Процесс получения готового изделия на устройстве 3D-печати — это физическая материализация его модели на компьютере, созданная с помощью специального программного обеспечения. Управление процессом трехмерной печати разделено на несколько этапов.

Создание цифровой модели и введение данных в печатное устройство

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

Вы можете использовать специальный 3D-сканер, но качество виртуальной модели снизится.

Если объект в производстве — вещь типовая, можно поискать информацию в Интернете, на специализированных сайтах. Цифровая модель сохраняется в формате STL.
Затем с помощью специализированной программы нарезки создается G-код — система команд, которая управляет перемещением печатных элементов устройства. Интерфейс программы прост и удобен в использовании.

Подготовка к работе

Этап зависит от типа печатающего устройства. Например, перед запуском системы FDM на рабочий стол устройства наклеивается специальная пленка и загружается катушка с пластиковой нитью. Тип и цвет пластика подбираются исходя из характеристик готового изделия. Проверяют резьбу на предмет загрязнения и механических повреждений — это сказывается на качестве получаемого изделия.

Этап печатания

Производится самостоятельно. Необходимо следить за тем, чтобы слои наносились на объект равномерно, не происходило затвердевания полимерной нити или ее чрезмерной пластичности. При необходимости вносятся изменения в настройки устройства.

Дополнительная обработка объекта

При необходимости проводится дальнейшая обработка: черновая обработка и полировка готового изделия. Если при печати объекта сложной формы были сделаны опорные конструкции (что необходимо для предотвращения разрушения моделируемого объекта), необходимо их удалить и отполировать стыки.

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 один за другим непрерывно: следующий слой наносится на первый слой материала, подъемник снова опускается и так далее, пока готовый продукт не окажется на рабочей поверхности.

Как создают изделия

Аддитивный процесс 3D-печати отвечает за создание трехмерного продукта — это когда во время изготовления объекта слои материала накладываются друг на друга снизу вверх, чтобы получилась копия формы на чертеже. Так печатают пластмассовые изделия. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Помимо пластмасс и фотополимеров, современные 3D-принтеры работают с металлической глиной и металлическим порошком.

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим: следующий слой материала наносится поверх слоя материала, и печатающая головка перемещается, пока готовое изделие не окажется на рабочей поверхности. Принтер сам удаляет отходы печати с рабочего стола.

Как устроен 3D-принтер

По сути, 3D-принтеры состоят из тех же частей и похожи по структуре на обычные принтеры. Основное отличие очевидно: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и помимо ширины и высоты появляется глубина.

Помимо корпуса, это детали 3D-принтера:

• экструдер или печатающая головка: нагревает поверхность с помощью системы захвата, отмеряет точное количество материала и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде ниток;
• рабочий стол (также называемый рабочей площадкой или печатной поверхностью) — на нем принтер формирует детали и выращивает продукцию;
• линейные и шаговые двигатели — детали привода, отвечают за точность и скорость печати;
• зажимы — датчики, определяющие координаты отпечатка и ограничивающие движущиеся части. Нам нужен принтер, чтобы он не выходил за рамки рабочего стола и делал печать более точной;
• рамка — соединяет все элементы принтера.

Схема 3D-принтера.

Все это контролируется компьютером.

Где можно применить 3D-принтер

Потенциал аддитивных технологий уже позволил использовать их в различных сферах жизни человека.

Промышленность

Использование систем 3D-печати в производственных процессах стало обычным явлением. Реализация макетов и прототипов готовой продукции, позволяющая оценить их реальные характеристики. Производство сложных форм, используемых для изготовления нестандартных деталей. Производство запасных частей к агрегатам и механизмам для быстрого ремонта. Мелкосерийное производство уникальной продукции (например, деталей ракетных двигателей) и т.д.

Медицина

Получение сложных форм — копий недостающих частей человеческого скелета (недостающие кости черепа, раздробленные кости и т.д.). По этим формам производятся элементы, которые вживляются в тело человека. Проведение опытов по печати человеческих органов (почка, щитовидная железа), которые были трансплантированы в человеческий организм и пересажены. Изготовление протезов конечностей.

Архитектура и строительство

Реализация трехмерных моделей зданий для презентации архитектурных проектов.
Появление технологии прототипирования жилых домов. С его помощью можно за несколько часов напечатать дом, строительство которого обычными методами занимает несколько дней

Образование

Получите учебные пособия, которые помогут вам выйти на новый уровень образования. Изготовление предметов сложной формы, которые представляют собой, например, графическое решение алгебраических уравнений. Развивать у студентов пространственное мышление.

Космос

предложен проект, в котором системы 3D-печати будут использоваться в космосе: с их помощью планируется построить лунную базу, а в качестве рабочего вещества планируется использовать лунный грунт.

Малый бизнес

Работа на 3D-принтерах позволяет создавать уникальные дизайнерские объекты, изготавливать миниатюры с распечатанными куклами, имеющими вертикальное сходство с покупателями, изготавливать аксессуары для одежды по индивидуальным заказам…. Продолжать можно бесконечно. Дополнительные технологии позволяют творческому предпринимателю уверенно найти свою нишу в мире бизнеса.

Чем печатает: расходные материалы

Основные расходные материалы для 3D-моделей — пластик и фотополимер.

• АБС-пластик. Нетоксичен, без запаха, обладает высокой ударопрочностью, термостойкостью и эластичностью. Плавится примерно при 245 ° C. Продается в виде пудры или цветных ниток. Не переносит прямых солнечных лучей, не позволяет получать прозрачные модели. Деформируются трещины, отслоения, острые края, тонкие выступы. Во время работы требуется вентиляция.
• PLA пластик. Полилактид — экологический пластик, получаемый из остатков кормовых культур: свеклы, кукурузы. В растопленном состоянии приятно пахнет. По сравнению с АБС-пластиком модели со временем деградируют в жарких и дорогих условиях. Под механическим воздействием он изгибается, сжимается, разрушается при падении. Теряет форму при температуре от 600 С.
• ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ. Обычный полимер, который содержится в бутылках для напитков, воды и пищевых контейнерах. Для 3D-принтеров используется модификация PETG — пластик более чистый, менее хрупкий. Он впитывает влагу и поэтому должен храниться в сухих помещениях. Несмотря на механическую стойкость, он легко царапается и устойчив к тепловым воздействиям.
• Нержавеющая сталь. Печатайте «долговечные» изделия, устойчивые к коррозии — фигурки, узлы механизмов, брелоки. Наряду с нержавеющей сталью используются алюминий, латунь, медь, бронза. Прототипы нуждаются в постобработке.
• Древесина. Дорогой и эстетичный материал, состоящий из полимерной основы с добавлением древесных волокон (стружки, тирса) кедра, сосны, березы. Также встречаются экзотические экземпляры с частицами вишни, кокоса, пробки, бамбука. Изделия пахнут деревом, после шлифовки практически не отличаются от столярных. Это актуально, когда внешний вид важнее точности и цены.
• Смолы. Дорогой расходник для гладких и прочных моделей с высокой детализацией. Используется в многоструйных принтерах (MJP) и стереолитографических лазерных принтерах. Смолы бывают твердые, эластичные, непрозрачные, прозрачные, цветные, термостойкие. Под воздействием солнечных лучей фотополимерная смола теряет прозрачность. Они отличаются гладкой поверхностью и простотой постобработки.
• Нейлон. Аналог АБС-пластика с повышенной температурой плавления до 320 ° С, гигроскопичностью и токсичностью. Он долго остывает и требует штифтового экструдера. Используется для печати движущихся частей.

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 для офиса. 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 экструдируя его в соответствии с траекториями, созданными компьютером. Для печати по технологии HPM используются два разных материала: один (основной) будет состоять из готовой детали, а другой 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, пока основание не переместится вниз, а затем в следующий слой начинается. 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 печатными 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.

Что такое 3d принтер?

Принцип работы 3D-принтера основан на принципе постепенного (послойного) создания твердотельной модели, которая как бы «выращивается» из определенного материала, о чем мы поговорим позже. Преимущества 3D-печати перед обычными ручными методами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно невысокая стоимость. Например, создание 3D-модели или какой-либо детали вручную может занять 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 еще не дают полного представления об окончательном результате. В результате затраты на разработку значительно увеличиваются, а период от разработки продукта до серийного производства увеличивается. 3D-технологии, напротив, позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость выполнять чертежи и расчеты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть модель со всех сторон уже на экране и не устранить выявленные недостатки в процессе создания, как и в случае ручного производства, но непосредственно во время разработки и создания модели за несколько часов. При этом практически исключена возможность ошибок, присущих ручной работе.

Как создаются модели для печати?

Сначала с помощью программы САПР создается 3D-модель объекта и сохраняется в специальном формате STL. Затем файл STL загружается в программу резки для принтера, такую ​​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.

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:

• Многоугольник;
• 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. Его 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 часто встречаются случаи поломки объекта в процессе строительства, так как ничто не поддерживает конструкцию, которая еще хрупкая, но уже тяжелая. В пудре все иначе: деталь не может сломаться, так как опирается на твердое тело.
• Помимо полимера могут использоваться измельченные частицы бронзы, стали, нейлона, титана.

Недостатки:

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

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 • Программа Z jr от ZVSOFT позволяет создавать органические формы, рисуя эскиз на простой сетке, а затем сглаживая линии в деталях, 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.

Области применения 3D печати

Есть много областей, где внедряются новые технологии, наиболее популярными из которых являются:

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

Как пользоваться и печатать

Самыми сложными моментами использования собранного 3D-принтера являются его калибровка и создание цифровой копии модели.

Предварительные настройки (список)

Перед началом работы пользователь должен выполнить ряд подготовительных мероприятий:

1. Подготовьте место для пресса.
2. Перезагрузите устройство расходными материалами.
3. Подключите принтер к персональному компьютеру или ноутбуку.
4. Проверить проходимость экструдера.
5. Откалибруйте движение каретки.
6. Загрузите модель в программу для печати.

Непосредственно в процессе:

1. Следите за нагревом субстрата и сопла.
2. Постоянно следите за температурным режимом.
3. Проверьте скорость подачи расходного материала.
4. Своевременно заменяйте шпульки с пластиковой нитью другого цвета или если она закончилась.

Это основной список с учетом того, что 3D модель объекта уже готова.

Но также обратите внимание на эти «моменты»:

• Калибровка. Перед началом печати движение печатающего механизма относительно платформы калибруется во всех направлениях с учетом расходных материалов.
• Температура. Температура плавления пластика установлена. Нужно следить, чтобы слои пластика не перекрывали друг друга, но между ними не было зазора. Для этого разработаны многочисленные утилиты, используются тестовые шаблоны.
• Время создания объекта. Время печати детали зависит от ее размера, скорости печати и точности. Чем выше точность исполнения, тем больше времени требуется для печати модели: от нескольких минут до пары часов.

Трехмерная печать стала неотъемлемой частью человеческой деятельности. Многие люди смогут приобрести принтер или собрать его как сложный взрослый конструктор, а также научиться делать трехмерные модели. Кто знает, может быть, в ближайшем будущем люди научатся печатать из обрезков мебельного производства, чтобы сэкономить экологический материал. Или они могут печатать камни необычной геометрии для создания изысканных структур по принципу многоугольной кладки, которая встречается во всем мире.

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 компании 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.