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 трехмерных светоотверждаемых пластмассовых 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 принуждения».

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 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.

Технологии печати

3D-печать очень нужна в промышленности и промышленном дизайне, поэтому существует целый зоопарк технологий печати, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Стереолитография. Вместо пластика здесь используется специальная смола, которая затвердевает на свету. Деталь также сформирована слоями, но сами слои почти не видны: смола заполняет рельеф, и деталь кажется единой даже с очень близкого расстояния.

Полимерный синтез (SLS). В этом принте используется порошок, который затем запекается с помощью лазерного луча. Поскольку лазерный луч может быть сфокусирован в любом месте с желаемой точностью, с помощью этого способа печати можно получать очень сложные узоры с высокой детализацией:

Polyjet. Особенность этой технологии в том, что можно одновременно печатать объекты из разных материалов. Это позволяет создавать практически все вещи самой сложной формы, сразу обладающие желаемыми свойствами. На таком принтере можно распечатать даже кроссовки, которые можно носить:

Типы 3D-принтеров и особенности печати каждого

Очень часто сегодня используется технология печати FDM, а также 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 одному из самых старых методов. Принцип заключается в расплавлении пластиковой нити слой за слоем 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 расплавляется под воздействием нагревательного элемента и затем выдавливается через сопло к рабочей поверхности;
• экструдер движется по пути, заданному программой, и строит объект слой за слоем;
• если вам нужно напечатать сложный объект, вы можете использовать два типа материала: один для модели, второй для создания опор (обычно он растворимый или просто легко ломает объект). Носитель должен быть напечатан, 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 в производстве термопласты, 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 сжимать пластик, который мгновенно затвердевает, 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 тонкого слоя плавкого порошкового материала (пластмассы, керамики, стекла или металла) на рабочую поверхность, которая спекается под действием точечного лазерного луча. После образования первого слоя рабочая платформа 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, но здесь слои объекта формируются путем сплавления металлического порошка в вакууме электронным лучом. Термическая обработка после печати не требуется;
  
• 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 (полиэтиленовая 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.
  

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Самый удобный и поэтому наиболее распространенный метод 3D-печати, при котором готовый объект создается из жидкого или композитного пластика, который проходит через экструдер печатающей головки и слой за слоем отверждается 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 нем исходным материалом является жидкая смола (акрил, эпоксидная смола, винил) или пластик. Луч лазера «готовит» 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. Типичный производственный цикл, по сути, 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.

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. Для домашнего использования тоже 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.

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 перемещается по осям X, Y и Z.

I схема

Платформа фиксированная, положение по осям x, y, z изменяется только экструдером. 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 или назад и вперед, а платформа — вверх и вниз.

Загрузка: экструдер перемещается по осям X и Y

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.

Загрузка: экструдер перемещается по осям X и Z

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, но в этом случае нет сложного механизма для фиксации печатающей головки.

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.

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 обеспечивает более точную печать, чем FDM), точности печатающей головки, настроек программного обеспечения и выбранного носителя для печати;
  
  Образцы с разной толщиной слоя
• скорость печати напрямую связана с точностью: 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 указаны ее 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, ввозятся в небольших количествах, а сервисное обслуживание затруднено. Китайские устройства дешевы, качество часто оставляет желать лучшего, но баловаться такими принтерами можно. Есть и принтеры российского производства — хорошим качеством, удобством обслуживания.
  

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. Хотя модель была выпущена в 2013 году, она до сих пор активно используется для домашней печати.

PrintBox3D One

Принтер отечественного производства, печать по технологии FDM, минимальная толщина слоя 50 мкм, размер рабочей площадки 185 * 160 * 150 мм. Печатное устройство из пластика ABS и PLA оснащено платформой с подогревом. 

Wanhao Duplicator i3 v2

Доступный вариант для тех, кто хочет освоить технологии и побаловать себя.  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.

3D принтер Hercules

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

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 происходит последовательно, за один проход лазер полимеризует 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 прочность 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 .

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 предварительной и последующей обработки (необходимо нагреть порошок и отжечь изделие в духовке);
• Высокая стоимость.

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 полимеризации 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 создания прототипов 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, головка 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;
• Для объектов сложной формы требуются опорные элементы;
• Извлечение (уменьшение размеров после охлаждения) готовой продукции;
• требуется дальнейшая обработка готового продукта.

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. программная обработка созданной модели («Генератор G-кода»), в ходе которой она разбивается на множество 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.

Области применения 3D-печати

Технология нашла применение практически во всех сферах человеческой деятельности:

• образование;
• архитектура;
• наука;
• механическая инженерия;
• медицина;
• готовка;
• приборостроение;
• производство одежды и обуви.

3d шоколадный принтер

Пицца, напечатанная на 3D-принтере

Модель дома, распечатанная на 3д принтере

3D-печатный автомобиль

Основный принцип работы

• объект моделируется на компьютере в специальной программе САПР;
• 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; композитный порошок из гипса, воска, а также различных строительных и кулинарных смесей.

Самые известные технологии 3D-печати:

• FDM;
• SLS и SLM;
• ламинирование;
• фотополимерная печать;
• печать на гипсе;
• строительный пресс с бетоном и др.

Послойное наплавление

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

Он предполагает подачу нити на специальный нагревательный элемент.

Экструдер используется для нанесения расплавленного пластика на заданную область печати. Экструдер установлен на печатающей головке, которая перемещается по области печати в горизонтальной плоскости. После того, как слой 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 популярны для домашнего и домашнего использования, то есть для личного пользования.

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 наносится поверх слоя материала, и печатающая головка перемещается, пока готовое изделие не окажется на рабочей поверхности. Сам принтер удаляет отходы печати с рабочего стола.

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.

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 человеческий организм. 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 объектов сложной формы, которые являются, например, графическим решением 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 участием печатных кукол, имеющих вертикальное сходство с покупателями, изготавливать аксессуары для одежды по индивидуальным заказам…. Продолжать можно до бесконечности. Дополнительные технологии позволяют творческому предпринимателю уверенно найти свою нишу в мире бизнеса.