Работы на 3d принтере: Как работает 3D-принтер — виды принтеров, технологии печати

Как работать с 3D принтером: объясняем базовый принцип

Как работать с 3D принтером: особенности

При покупке нового функционального устройства первым делом возникает вполне логичный вопрос – «Как с ним работать?». 3D принтеры в этом случае не исключение, особенно если пользователю ранее не приходилось сталкиваться с приборами для 3D печати. Конечно, инструкцию по эксплуатации никто не отменял, и с ней непременно следует ознакомиться. Но в сегодняшней статье мы хотим коротко рассказать о том, как работать с 3D принтером и осветить основные пункты эксплуатации, не вдаваясь в особенности конкретных моделей. Эти правила касаются настольных устройств для FDM 3D печати и применимы ко всем стандартным принтерам данного класса.

Наши советы пригодятся как начинающим пользователям 3D принтеров, так и желающим приобрести данный девайс в будущем. Для общего развития статья будет полезной всем, кто интересуется трехмерными технологиями и принципом работы аппаратного обеспечения для 3Д печати. А тем, кто только приобрел собственный прибор быстрого прототипирования, рекомендуем ознакомиться с правилами для более быстрого освоения нового устройства и во избежание возникновения проблем при запуске объекта в печать. Итак, перейдем к делу.

Подготовка 3D принтера к работе

В первую очередь следует убедиться в работоспособности 3D принтера. Что проверить:

• Нанесена ли подложка для печати. Нужно позаботиться о покрытии стола материалом, улучшающим прилипание изделий и облегчающим их удаление с платформы. Это может быть малярный скотч, каптон, либо специализированные покрытия типа BuildTak. Предварительно стол нужно качественно очистить.
  
  
• Установлен ли вообще стол:) Иногда случается, что рабочая платформа не подключена, либо отсутствует. В этом случае необходимо установить стол согласно инструкции пользователя.
  
• Проходимость экструдера. Остатки застывшего пластика в сопле принтера могут создавать препятствие для прохождения нового полимера. Потому перед началом печати лучше убедиться в чистоте экструдера и прочистить его в случае необходимости.
  
• Заправлен ли филамент. Хотя этот пункт и очевиден, не стоит его игнорировать. Убедитесь, что нужный вам 3D пластик заправлен в принтер по всем правилам, иначе о какой печати может идти речь 🙂
  
  И, само собой, проверьте подачу электропитания. При желании, на данном этапе можно поставить устройство на преднагрев. Это не обязательно, но позволит ускорить процесс запуска в печать.

Подготовка 3D модели

Теперь, когда 3D принтер точно готов к процессу печати, пора подготовить 3D модель. Интересуясь, как работать с 3D принтером, этот пункт игнорировать нельзя. Модель в формате STL необходимо залить в программу-слайсер, генерирующую управляющий код для принтера. Существуют различные версии слайсеров (Cura ,slic3r, KISSlicer), причем некоторые принтеры по умолчанию поддерживают работу с определенными программами.

В нашем случае используется слайсер Cura. После загрузки модели проверяем ее готовность к 3D печати. Наличие любых ошибок и неточностей сразу отразится в программе, что потребует исправления 3D модели согласно правилам 3Д-моделирования для печати.

Если же с цифровой версией создаваемого изделия все в порядке, выставляем настройки печати. Помните, что грамотные действия на данном этапе отразятся на качестве 3D-печатного образца. Следует проконтролировать такие настройки:

• Температура стола и экструдера. Эти значения зависят от типа используемого пластика, разным видам полимеров соответствуют разные температурные режимы.
• Скорость печати. Регулировать ее также следует в зависимости от филамента, не забывая, что высокая скорость печати может идти в ущерб качеству изделия.
• Наличие поддержки. Сложные структуры с нависающими элементами целесообразно печатать с поддерживающей конструкцией, это обеспечит точное воспроизведение модели и предотвратит возможные деформации объекта во время остывания.
   
• Тип прилипания к столу. Для лучшего сцепления изделия с платформой и защиты от отсоединения углов существует несколько вариантов настройки данного параметра. В зависимости от типа создаваемого элемента и вида пластика они могут отличаться.
   
• Точность печати. Здесь все предельно ясно – чем выше точность, тем лучше детализация готового образца. Высоту слоя стоит выбирать в зависимости от требований к изделию.

Проделав эти несложные действия 3D модель можно слайсить и записывать на флешку. Дальше все совсем просто: подключаем флешку к принтеру, и запускаем изделие в печать.

Важно проконтролировать воспроизведение первого слоя, ведь от него часто зависит весь последующий процесс печати.

Как работать с 3D принтером: финал

Если проблем избежать не удалось, можно попробовать перезапустить печать объекта. Часто это помогает. Если же перезапуск не сработал – потребуется перезаписать модель, возможно, изменив настройки.

На этом перечень основных этапов запуска изделия в печать завершен. Теперь вы знаете, как работать с 3D принтером и при случае будете ориентироваться в базовых принципах управления этим устройством. Не забывайте, что в нашем магазине представлен широкий выбор 3D принтеров, пластика и смол для 3D печати, так что вы непременно найдете именно то, что нужно. Надеемся, наша статья была полезной для вас! А если какой-то пункт остался непонятным, или вы хотите получить больше информации – обращайтесь к нам по одному из контактных телефонов, либо по электронной почте.

Вернуться на главную

3D-печать для «чайников» или «что такое 3D-принтер?»

• 1 Термин 3D-печать
• 2 Методы 3D-печати
• 2.1 Экструзионная печать
• 2.2 Плавка, спекание или склеивание
• 2.3 Стереолитография
• 2.4 Ламинирование
• 3 Печать методом послойного наплавления (FDM)
• 3. 1 Расходные материалы
• 3.2 Экструдер
• 3.3 Рабочая платформа
• 3.4 Механизмы позиционирования
• 3.5 Управление
• 3.6 Разновидности FDM-принтеров
• 4 Лазерная стереолитография (SLA)
• 4.1 Лазеры и проекторы
• 4.2 Кювета и смола
• 4.3 Разновидности стереолитографических принтеров

Термин 3D-печать

Термин 3D-печать имеет несколько синонимов, один из которых достаточно кратко и точно характеризует сущность процесса – «аддитивное производство», то есть производство за счет добавления материала. Термин был придуман не случайно, ибо в этом и состоит основное отличие множественных технологий 3D-печати от привычных методов промышленного производства, получивших в свою очередь название «субтрактивных технологий», то есть «отнимающих». Если при фрезеровке, шлифовке, резке и прочих схожих процедурах лишний материал удаляется с заготовки, то в случае с аддитивным производством материал постепенно добавляется до получения цельной модели.

В скором времени 3D-печать будет опробована даже на Международной космической станции

Строго говоря, многие традиционные методы можно было бы отнести к «аддитивным» в широком смысле этого слова – например, литье или клепку. Однако стоит иметь в виду, что в этих случаях либо требуется расход материалов на изготовление специфических инструментов, занятых в производстве конкретных деталей (как в случае с литьем), либо весь процесс сводится к соединению уже готовых деталей (сварке, клепке и пр.). Для того чтобы технология классифицировалась как «3D-печать», необходимо построение конечного продукта из сырья, а не заготовок, а формирование объектов должно быть произвольным – то есть без использования форм. Последнее означает, что аддитивное производство требует программной составляющей. Грубо говоря, аддитивное производство требует управления с помощью компьютеров, чтобы форму конечных изделий можно было определять за счет построения цифровых моделей. Именно этот фактор и задержал широкое распространение 3D-печати до того момента, когда числовое программное управление и 3D-проектирование стали общедоступными и высокопроизводительными.

Методы 3D-печати

Технологий 3D-печати существует великое множество, названий же для них еще больше ввиду патентных ограничений. Тем не менее, можно попробовать разделить технологии по основным направлениям:

Экструзионная печать

Сюда входят такие методы, как послойное наплавление (FDM) и многоструйная печать (MJM). В основе этого метода лежит выдавливание (экструзия) расходного материала с последовательным формированием готового изделия. Как правило, расходные материалы состоят из термопластиков, либо композитных материалов на их основе.

Плавка, спекание или склеивание

Этот подход основывается на соединении порошкового материала в единое целое. Формирование производится разными способами. Наиболее простым является склеивание, как в случае со струйной трехмерной печатью (3DP). Подобные принтеры наносят на рабочую платформу тонкие слои порошка, которые затем выборочно склеиваются связующим материалом.

Порошки могут состоять из практически любого материала, который можно измельчить до состояния пудры – пластика, древесины, металла.

Эта модель автомобиля Aston Martin, принадлежавшего Джеймсу Бонду, была успешно напечатана на SLS-принтере компании Voxeljet и не менее успешно взорвана во время съемок фильма «Координаты Скайфолл» вместо дорогого оригинала

Наиболее популярными же в данной категории стали технологии лазерного спекания (SLS и DMLS) и плавки (SLM), позволяющие создавать цельнометаллические детали. Как и в случае со струйной трехмерной печатью, эти устройства наносят тонкие слои порошка, но материал не склеивается, а спекается или плавится с помощью лазера. Лазерное спекание (SLS) применяется для работы как с пластиковыми, так и с металлическими порошками, хотя металлические гранулы обычно имеют более легкоплавкую оболочку, а после печати дополнительно спекаются в специальных печах. DMLS – вариант SLS установок с более мощными лазерами, позволяющими спекать непосредственно металлические порошки без добавок.

SLM-принтеры предусматривают уже не просто спекание частиц, а их полную плавку, что позволяет создавать монолитные модели, не страдающие от относительной хрупкости, вызываемой пористостью структуры. Как правило, принтеры для работы с металлическими порошками оснащаются вакуумными рабочими камерами, либо замещают воздух инертными газами. Подобное усложнение конструкции вызывается необходимостью работы с металлами и сплавами, подверженными оксидации – например, с титаном.

Стереолитография

Схема работы SLA-принтера

Стереолитографические принтеры используют специальные жидкие материалы, называемые «фотополимерными смолами». Термин «фотополимеризация» указывает на способность материала затвердевать под воздействием света. Как правило, такие материалы реагируют на облучение ультрафиолетом.

Смола заливается в специальный контейнер с подвижной платформой, которая устанавливается в позиции возле поверхности жидкости. Слой смолы, покрывающий платформу, соответствует одному слою цифровой модели. Затем тонкий слой смолы обрабатывается лазерным лучом, затвердевая в точках соприкосновения. По окончании засветки платформа вместе с готовым слоем погружаются на толщину следующего слоя, и засветка производится вновь.

Ламинирование

Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)

Некоторые 3D-принтеры выстраивают модели, используя листовые материалы – бумагу, фольгу, пластиковую пленку.

Слои материала наклеиваются друг на друга и обрезаются по контурам цифровой модели с помощью лазера или лезвия.

Такие установки хорошо подходят для макетирования и могут использовать очень дешевые расходные материалы, включая обычную офисную бумагу. Тем не менее, сложность и шумность таких принтеров, вкупе с ограниченными возможностями изготовляемых моделей ограничивают их популярность.

Наиболее популярными методами 3D-печати, применяемыми в быту и в офисных условиях стали моделирование методом послойного наплавления (FDM) и лазерная стереолитография (SLA).

Остановимся на этих технологиях поподробнее.

Печать методом послойного наплавления (FDM)

FDM – пожалуй, наиболее простой и доступный метод трехмерного построения, что и обуславливает его высокую популярность.
Высокий спрос на FDM-принтеры ведет к быстрому снижению цен на устройства и расходные материалы, наряду с развитием технологии в направлении удобства эксплуатации и повышения надежности.

Расходные материалы

Катушка с нитью из ABS-пластика и готовая модель

FDM-принтеры предназначены для печати термопластиками, которые обычно поставляются в виде тонких нитей, намотанных на катушки. Ассортимент «чистых» пластиков весьма широк. Одним из наиболее популярных материалов является полилактид или «PLA-пластик». Этот материал изготавливается из кукурузы или сахарного тростника, что обуславливает его нетоксичность и экологичность, но делает его относительно недолговечным. ABS-пластик, наоборот, очень долговечен и износоустойчив, хотя и восприимчив к прямому солнечному свету и может выделять небольшие объемы вредных испарений при нагревании. Из этого материала производятся многие пластиковые предметы, которыми мы пользуемся на повседневной основе: корпуса бытовых устройств, сантехника, пластиковые карты, игрушки и т.д.

Кроме PLA и ABS возможна печать нейлоном, поликарбонатом, полиэтиленом и многими другими термопластиками, широко распространенными в современной промышленности. Возможно и применение более экзотичных материалов – таких, как поливиниловый спирт, известный как «PVA-пластик». Этот материал растворяется в воде, что делает его весьма полезным при печати моделей сложной геометрической формы. Но об этом чуть ниже.

Модель, изготовленная из Laywoo-D3. Изменение температуры экструзии позволяет добиваться разных оттенков и имитировать годовые кольца

Вовсе необязательно печатать однородными пластиками. Возможно и применение композитных материалов, имитирующих древесину, металлы, камень. Такие материалы используют все те же термопластики, но с примесями непластичных материалов.

Так, Laywoo-D3 состоит отчасти из натуральной древесной пыли, что позволяет печатать «деревянные» изделия, включая мебель.

Материал под названием BronzeFill имеет наполнитель из настоящей бронзы, а изготовленные из него модели поддаются шлифовке и полировке, достигая высокой схожести с изделиями из чистой бронзы.

Стоит лишь помнить, что связующим элементом в композитных материалах служат термопластики – именно они и определяют пороги прочности, термоустойчивости и другие физические и химические свойства готовых моделей.

Экструдер

Экструдер – печатная головка FDM-принтера. Строго говоря, это не совсем верно, ибо головка состоит из нескольких частей, из которых непосредственно «экструдером» является лишь подающий механизм. Тем не менее, по устоявшейся традиции термин «экструдер» повсеместно применяется в качестве синонима целой печатающей сборки.

Общая схема конструкции FDM-экструдера

Экструдер предназначен для плавки и нанесения термопластиковой нити. Первый компонент – механизм подачи нити, состоящий из валиков и шестерней, приводимых в движение электромотором. Механизм осуществляет подачу нити в специальную нагреваемую металлическую трубку с соплом небольшого диаметра, называемую «хот-энд» или просто «сопло». Тот же механизм используется и для извлечения нити, если необходима смена материала.

Хот-энд служит для нагревания и плавления нити, подаваемой протягивающим механизмом. Как правило, сопла производятся из латуни или алюминия, хотя возможно использование более термоустойчивых, но и более дорогих материалов. Для печати наиболее популярными пластиками вполне достаточно и латунного сопла. Собственно «сопло» крепится к концу трубки с помощью резьбового соединения и может быть заменено на новое в случае износа или при необходимости смены диаметра. Диаметр сопла обуславливает толщину расплавленной нити и, как следствие, влияет на разрешение печати. Нагревание хот-энда регулируется термистором. Регулировка температуры очень важна, так при перегреве материала может произойти пиролиз, то есть разложение пластика, что способствует как потере свойств самого материала, так и забиванию сопла.

Экструдер FDM-принтера PrintBox3D One

Для того чтобы нить не расплавилась слишком рано, верхняя часть хот-энда охлаждается с помощью радиаторов и вентиляторов. Этот момент имеет огромное значение, так как термопластики, проходящие порог температуры стеклования, значительно расширяются в объеме и повышают трение материала со стенками хот-энда. Если длина такого участка слишком велика, протягивающему механизму может не хватить сил для проталкивания нити.

Количество экструдеров может варьироваться в зависимости от предназначения 3D-принтера. Простейшие варианты используют одну печатающую головку. Двойной экструдер значительно расширяет возможности устройства, позволяя печатать одну модель двумя разными цветами, а также использовать разные материалы. Последний момент важен при построении сложных моделей с нависающими элементами конструкции: FDM-принтеры не могут печатать «по воздуху», так как наносимым слоям требуется опора. В случае с навесными элементами приходится печатать временные опорные структуры, которые удаляются по завершении печати. Процесс удаления чреват повреждением самой модели и требует аккуратности. Кроме того, если модель имеет сложную структуру с труднодоступными внутренними полостями, построение обычных опор может оказаться непрактичным виду сложности удаления лишнего материала.

Готовая модель с опорами из PVA-пластика (белого цвета) до и после промывки

В таких случаях весьма кстати приходится тот самый водорастворимый поливиниловый спирт (PVA-пластик). С помощью двойного экструдера можно построить модель из водоупорного термопластика, используя PVA для создания опор.

После окончания печати PVA можно просто растворить в воде и получить сложное изделие идеального качества.

Некоторые модели FDM-принтеров могут использовать три или даже четыре экструдера.

Рабочая платформа

Подогреваемая платформа, накрытая съемным стеклянным рабочим столиком

Построение моделей происходит на специальной платформе, зачастую оснащаемой нагревательными элементами. Подогрев требуется для работы с целым рядом пластиков, включая популярный ABS, подверженных высокой степени усадки при охлаждении. Быстрая потеря объема холодными слоями в сравнении со свеженанесенным материалом может привести к деформации модели или расслоению. Подогрев платформы позволяет значительно выравнивать градиент температур между верхними и нижними слоями.

Для некоторых материалов подогрев противопоказан. Характерный пример – PLA-пластик, который требует достаточно длительного времени для затвердевания. Подогрев PLA может привести к деформации нижних слоев под тяжестью верхних. При работе с PLA обычно принимаются меры не для подогрева, а для охлаждения модели. Такие принтеры имеют характерные открытые корпуса и дополнительные вентиляторы, обдувающие свежие слои модели.

Калибровочный винт рабочей платформы, покрытой синим малярным скотчем

Платформа требует калибровки перед печатью, чтобы сопло не задевало нанесенные слои и не отходило слишком далеко, вызывая печать «по воздуху», что приводит к образованию «вермишели» из пластика. Процесс калибровки может быть как ручным, так и автоматическим. В ручном режиме калибровка производится позиционированием сопла в разных точках платформы и регулировкой наклона платформы с помощью опорных винтов для достижения оптимальной дистанции между поверхностью и соплом.

Как правило, платформы оснащаются дополнительным элементом – съемным столиком. Такая конструкция упрощает чистку рабочей поверхности и облегчает снятие готовой модели. Столики производятся из различных материалов, включая алюминий, акрил, стекло и пр. Выбор материала для изготовления столика зависит от наличия подогрева и расходных материалов, под которые оптимизирован принтер.

Для лучшего схватывания первого слоя модели с поверхностью столика зачастую применяются дополнительные средства, включая полиимидную пленку, клей и даже лак для волос! Но наиболее популярным средством служит недорогой, но эффективный малярный скотч. Некоторые производители делают перфорированные столики, хорошо удерживающие модель, но сложные в очистке. В целом, целесообразность нанесения дополнительных средств на столик зависит от расходного материала и материала самого столика.

Механизмы позиционирования

Схема работы позиционирующих механизмов

Само собой, печатающая головка должна перемещаться относительно рабочей платформы, причем в отличие от обычных офисных принтеров, позиционирование должно производиться не в двух, а в трех плоскостях, включая регулировку по высоте.

Схема позиционирования может варьироваться. Самый простой и распространенный вариант подразумевает крепление печатающей головки на перпендикулярных направляющих, приводимых в движение пошаговыми двигателями и обеспечивающими позиционирование по осям X и Y.

Вертикальное же позиционирование осуществляется за счет передвижения рабочей платформы.

С другой стороны, возможно передвижение экструдера в одной плоскости, а платформы – в двух.

Дельта-принтер ORION производства компании SeemeCNC

Один из вариантов, набирающих популярность, является использование дельтаобразной системы координат.

Подобные устройства в промышленности называют «дельта-роботами».

В дельта-принтерах печатная головка подвешивается на трех манипуляторах, каждый из которых передвигается по вертикальной направляющей.

Синхронное симметричное движение манипуляторов позволяет изменять высоту экструдера над платформой, а ассиметричное движение вызывает смещение головки в горизонтальной плоскости.

Вариантом такой системы является обратный дельтовидный дизайн, где экструдер крепится неподвижно к потолку рабочей камеры, а платформа передвигается на трех опорных манипуляторах.

Дельта-принтеры имеют цилиндрическую область построения, а их конструкция облегчает увеличение высоты рабочей зоны с минимальными изменениями дизайна за счет удлинения направляющих.

В итоге все зависит от решения конструкторов, но основополагающий принцип не меняется.

Управление

Типичный контроллер на основе Arduino, оснащенный дополнительными модулями

Управление работой FDM-принтера, включая регулировку температуры сопла и платформы, темпа подачи нити и работы пошаговых моторов, обеспечивающих позиционирование экструдера, выполняется достаточно простыми электронными контроллерами. Большинство контроллеров основываются на платформе Arduino, имеющей открытую архитектуру.

Программный язык, используемый принтерами, называется G-код (G-Code) и состоит из перечня команд, поочередно выполняемых системами 3D-принтера. G-код компилируется программами, называемыми «слайсерами» – стандартным программным обеспечением 3D-принтеров, сочетающим некоторые функции графических редакторов с возможностью установки параметров печати через графический интерфейс. Выбор слайсера зависит от модели принтера. Принтеры RepRap используют слайсеры с открытым исходным кодом – такие, как Skeinforge, Replicator G и Repetier-Host. Некоторые компании создают принтеры, требующие использование фирменного программного обеспечения.

Программный код для печати генерируется с помощью слайсеров

В качестве примера можно упомянуть принтеры линейки Cube от компании 3D Systems. Есть и такие компании, которые предлагают фирменное обеспечение, но позволяют использовать и сторонние программы, как в случае с последними поколениями 3D-принтеров компании MakerBot.

Слайсеры не предназначены для 3D-проектирования, как такового. Эта задача выполняется с помощью CAD-редакторов и требует определенных навыков трехмерного дизайна. Хотя новичкам не стоит отчаиваться: цифровые модели самых различных дизайнов предлагаются на многих сайтах, зачастую даже бесплатно. Наконец, некоторые компании и частные специалисты предлагают услуги 3D-проектирования для печати на заказ.

И наконец, 3D-принтеры можно использовать вкупе с 3D-сканерами, автоматизирующими процесс оцифровки объектов. Многие их таких устройств создаются специально для работы с 3D-принтерами. Наиболее известные примеры включают ручной сканер 3D Systems Sense и портативный настольный сканер MakerBot Digitizer.

FDM-принтер MakerBot Replicator 5-го поколения, со встроенным контрольным модулем в верхней части рамы

Пользовательский интерфейс 3D-принтера может состоять из банального USB порта для подключения к персональному компьютеру. В таких случаях управление устройством фактически осуществляется посредством слайсера.

Недостатком такой упрощенности является достаточно высокая вероятность сбоя печати при зависаниях или притормаживании компьютера.

Более продвинутый вариант включает наличие внутренней памяти или интерфейса для карты памяти, что позволяет сделать процесс автономным.

Такие модели оснащаются контрольными модулями, позволяющими регулировать многие параметры печати (например, скорость печати или температуру экструзии). В состав модуля может входить небольшой LCD-дисплей или даже мини-планшет.

Разновидности FDM-принтеров

Профессиональный FDM-принтер Stratasys Fortus 360mc, позволяющий печатать нейлоном

FDM-принтеры весьма и весьма разнообразны, начиная от простейших самодельных RepRap принтеров и заканчивая промышленными установками, способными печатать крупногабаритные объекты.

Лидером по производству промышленных установок является компания Stratasys, основанная автором технологии FDM-печати Скоттом Крампом.

Простейшие FDM-принтеры можно построить самому. Такие устройства именуют RepRap, где «Rep» указывает на возможность «репликации», то есть самовоспроизведения.

RepRap принтеры могут быть использованы для печати пластиковых деталей, включенных в собственную конструкцию.

Контроллер, направляющие, ремни, моторы и прочие компоненты можно легко приобрести по отдельности.

Разумеется, сборка подобного устройства своими силами требует серьезных технических и даже инженерных навыков.

Некоторые производители облегчают задачу, продавая комплекты для самостоятельной сборки, но подобные конструкторы все равно требуют хорошего понимания технологии.

Вариант популярного RepRap принтера Prusa позднего, третьего поколения

Если же вам по душе мастерить вещи собственными руками, то RepRap принтеры приятно порадуют ценой: средняя стоимость популярного дизайна Prusa Mendel ранних поколений составляет порядка $500 в полной комплектации.

И, несмотря на свою «самодельную сущность», RepRap принтеры вполне способны производить модели с качеством на уровне дорогих фирменных собратьев.

Обыденные же пользователи, не желающие вникать в тонкости процесса, а требующие лишь удобное устройство для бытовой эксплуатации, могут приобрести FDM-принтер в готовом виде.

Многие компании делают упор на развитие именно пользовательского сегмента рынка, предлагая на продажу 3D-принтеры, готовые к печати «прямо из упаковки» и не требующие серьезных навыков в обращении с компьютерами.

Бытовой 3D-принтер Cube производства компании 3D Systems

Самым известным примером бытового 3D-принтера служит 3D Systems Cube.

Хотя это устройство и не блещет огромной зоной построения, сверхвысокой скоростью печати или непревзойденным качеством изготовления моделей, оно удобно в использовании, вполне доступно и безопасно: этот принтер получил необходимую сертификацию для использования даже детьми.

Демонстрация работы FDM-принтера производства компании Mankati: http://youtu.be/51rypJIK4y0

Лазерная стереолитография (SLA)

Стереолитографические 3D-принтеры широко используются в зубном протезировании

Стереолитографические принтеры – вторые по популярности и распространенности после FDM-принтеров.

Эти устройства позволяют добиваться исключительно высокого качества печати.

Разрешение некоторых SLA-принтеров исчисляется считанными микронами – неудивительно, что эти устройства быстро завоевали любовь ювелиров и стоматологов.

Программная сторона лазерной стереолитографии практически идентична FDM-печати, поэтому не будем повторяться и затронем лишь отличительные особенности технологии.

Лазеры и проекторы

Проекторная засветка фотополимерной модели на примере DLP-принтера Kudo3D Titan

Стоимость стереолитографических принтеров стремительно снижается, что объясняется растущей конкуренцией ввиду высокого спроса и применением новых технологий, удешевляющих конструкцию.

Несмотря на то, что технология обобщенно называется «лазерной» стереолитографией, наиболее современные разработки в большинстве своем применяют ультрафиолетовые светодиодные проекторы.

Проекторы дешевле и надежнее лазеров, не требуют использования деликатных зеркал для отклонения лазерного луча, а также имеют более высокую производительность. Последнее объясняется тем, что контур целого слоя засвечивается целиком, а не последовательно, точка за точкой, как в случае с лазерными вариантами. Этот вариант технологии называется проекторной стереолитографией, «DLP-SLA» или просто «DLP». Тем не менее, на данный момент распространены оба варианта – как лазерные, так и проекторные версии.

Кювета и смола

Фотополимерная смола заливается в кювету

В качестве расходных материалов для стереолитографических принтеров используется фотополимерная смола, внешне напоминающая эпоксидную. Смолы могут иметь самые разные характеристики, но все они обладают одной чертой, краеугольной для применения в 3D-печати: эти материалы затвердевают под воздействием ультрафиолетового света. Отсюда, собственно, и название «фотополимерные».

В полимеризованном виде смолы могут иметь самые разные физические характеристики. Некоторые смолы напоминают резину, другие – твердые пластики вроде ABS. Возможен выбор разных цветов и степени прозрачности. Главный же недостаток смол и SLA-печати в целом – стоимость расходных материалов, значительно превышающая стоимость термопластиков.

С другой стороны, стереолитографические принтеры в основном применяются ювелирами и стоматологами, не требующими построения деталей большого размера, но ценящими экономию от быстрого и точного прототипирования изделий. Таким образом, SLA-принтеры и расходные материалы окупаются очень быстро.

Пример модели, напечатанной на лазерном стереолитографическом 3D-принтере

Смола заливается в кювету, которая может оснащаться опускаемой платформой. В этом случае принтер использует выравнивающее устройство для разглаживания тонкого слоя смолы, покрывающего платформу, непосредственно перед облучением. По мере изготовления модели платформа вместе с готовыми слоями «утапливается» в смоле. По завершении печати модель вынимается из кюветы, обрабатывается специальным раствором для удаления остатков жидкой смолы и помещается в ультрафиолетовую печь, где производится окончательная засветка модели.

Некоторые SLA и DLP принтеры работают по «перевернутой» схеме: модель не погружается в расходный материал, а «вытягивается» из него, в то время как лазер или проектор размещаются под кюветой, а не над ней. Такой подход устраняет необходимость выравнивания поверхности после каждой засветки, но требует использования кюветы из прозрачного для ультрафиолетового света материала – например, из кварцевого стекла.

Точность стереолитографических принтеров чрезвычайно высока. Для сравнения, эталоном вертикального разрешения для FDM-принтеров считается 100 микрон, а некоторые варианты SLA-принтеров позволяют наносить слои толщиной всего в 15 микрон. Но и это не предел. Проблема, скорее, не столько в точности лазеров, сколько в скорости процесса: чем выше разрешение, тем ниже скорость печати. Использование цифровых проекторов позволяет значительно ускорить процесс, ибо каждый слой засвечивается целиком. Как результат, производители некоторых DLP-принтеров заявляют о возможности печатать с разрешением в один микрон по вертикали!

Видео с выставки CES 2013, демонстрирующее работу стереолитографического 3D-принтера Formlabs Form1: http://youtu.be/IjaUasw64VE

Разновидности стереолитографических принтеров

Настольный стереолитографический принтер Formlabs Form1

Как и в случае с FDM-принтерами, SLA-принтеры поставляются в широком диапазоне с точки зрения габаритов, возможностей и стоимости. Профессиональные установки могут стоить десятки, если не сотни тысяч долларов и весить пару тонн, но быстрое развитие настольных SLA и DLP-принтеров приводит к постепенному снижению стоимости аппаратуры без потери качества печати.

Такие модели как Titan 1 обещают сделать стереолитографическую 3D-печать доступной для небольших компаний и даже для бытового использования, имея стоимость в районе $1 000. Form 1 от компании Formlabs уже доступен по отпускной цене производителя в $3 299.

Разработчик же DLP принтера Peachy вообще намеревается преодолеть нижний ценовой барьер в $100.

При этом стоимость фотополимерных смол остается достаточно высокой, хотя средняя цена за последнюю пару лет упала со $150 до $50 за литр.

Само собой, растущий спрос на стереолитографические принтеры будет стимулировать рост производства расходных материалов, что будет вести к дополнительному снижению цен.

Перейти на главную страницу Энциклопедии 3D-печати

Как работают 3D-принтеры?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 24 апреля 2021 г.

Даже лучшие художники изо всех сил стараются показать нам, что представляют собой объекты реального мира. выглядеть во всей своей трехмерной (3D) красе. Большую часть времени это не имеет значения — просмотр фотографии или эскиза дает нам достаточно хорошая идея. Но если вы занимаетесь разработкой новых продукты, и вам нужно показать их клиентам или покупателям, ничто не сравнится с прототипом: моделью, которую можно потрогать, подержать и Чувствовать. Единственная проблема в том, что на изготовление моделей вручную уходит много времени. машины, которые могут делать «быстрые прототипы», стоят целое состояние (до полмиллиона долларов). Ура, тогда на 3D-принтеры , которые немного работают как струйные принтеры, и создавать 3D-модели слой за слоем до 10 раз скорость и пятая стоимость. Как именно они работают? Давайте поближе!

Фото: 3D-печать в действии: это печатающая головка 3D-принтера Invent, медленно, слой за слоем, выстраивая объект, распыляя расплавленный голубой пластик из точно движущегося сопла. Фото капрала. Джастин Апдеграф, любезно предоставленный Корпусом морской пехоты США.

Содержание

1. От прототипов ручной работы до быстрого прототипирования
2. Как работает 3D-принтер?
3. В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: АБС-пластик!
4. Преимущества и недостатки
5. приложений
   • Медицина
   • Аэрокосмическая промышленность и оборона
   • Визуализация
   • Индивидуальные продукты
6. Будущее 3D-печати
7. Узнать больше

От прототипов ручной работы к быстрому прототипированию

Фото: Качественный быстрый прототип космического самолета, изготовленный из воска из чертежа САПР НАСА. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Прежде чем появились такие вещи, как автоматизированное проектирование (САПР) и лазеры, модели и прототипы были кропотливо вырезаны из дерева или склеенные из маленьких кусочков картона или пластика. Они могли взять дней или даже недель, чтобы сделать и обычно стоит целое состояние. Получающий внесение изменений или изменений было трудным и трудоемким, особенно если использовалась сторонняя модельная компания, и которые могут помешать дизайнерам вносить улучшения или принимать комментарии в последнюю минуту на борту: «Слишком поздно!»

С появлением более совершенных технологий, идея под названием для быстрого прототипирования (RP) возникла в 1980-х годах. как решение этой проблемы: это означает разработку моделей и прототипы более автоматизированными методами, обычно в течение нескольких часов или дней. чем недели, на которые раньше уходило традиционное прототипирование. 3D печать является логическим продолжением этой идеи, в которой дизайнеры продукта делают свои собственные быстрые прототипы, в часы, используя сложные машины аналогично струйным принтерам.

Как работает 3D-принтер?

Работа: Один из первых в мире трехмерных FDM-принтеров, разработан С. Скоттом Крампом в 1980-х годах. В этом дизайне напечатана модель (розовая, 40). на базовой пластине (темно-синий, 10), которая перемещается в горизонтальном (X–Y) направлении, а печать головка и сопло (2 и 4, оранжевые) перемещаются в вертикальном (Z) направлении. Сырье для печати поступает из пластикового стержня (желтый, 46), расплавляемого печатающей головкой. Процесс нагрева тщательно регулируется термопара (электрический датчик тепла), подключенная к регулятору температуры (фиолетовый, 86). Стержень выдавливается сжатым воздухом из большого бака и компрессор справа (зеленый, 60/62). С тех пор все немного изменилось, но основной принцип (создание объекта путем плавления и осаждения пластика под трехмерным контролем) остается прежним. Произведение из патента США 5 121 329.: Устройство и метод создания трехмерных объектов С. Скоттом Крампом, Stratasys Ltd, 9 июня 1992 г. , любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Представьте, что вы строите обычный деревянный прототип автомобиля. Вы бы начните с блока твердого дерева и вырежьте внутрь, как скульптор, постепенно раскрывая предмет, «спрятанный» внутри. Или если вы хотели сделать архитектурную модель дома, вы бы построили это как настоящий, сборный дом, наверное, путем вырезания миниатюры копии стен из картона и склеивание их между собой. Теперь лазер может легко вырезать дерево по форме, и это не выходит за рамки сферы возможностей научить робота склеивать картон вместе, но 3D-принтеры не работают ни одним из этих способов!

Типичный 3D-принтер очень похож на струйный принтер, управляемый с компьютера. Он строит 3D-модель по одному слою за раз, начиная с снизу вверх, многократно печатая одну и ту же область методом, известным как моделирование осадконакопления методом плавления (FDM) . Работая полностью автоматически, принтер создает модель в течение нескольких часов, поворачивая 3D-CAD. разбивка на множество двумерных, поперечных слои — эффективно разделяйте 2D-отпечатки, которые расположены один поверх другого. другой, но без бумаги между ними. Вместо того, чтобы использовать чернила, которые никогда не накопится слишком много объем, принтер наносит слои расплавленного пластика или порошка и соединяет их вместе (и с существующей структурой) с помощью клея или ультрафиолетового излучения.

В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: Пластик!

В то время как струйный принтер распыляет жидкие чернила, а лазерный принтер использует твердый порошок, 3D-принтер не использует ни того, ни другого: вы не можете создать 3D-модель, набрасывая цветную воду или черную пыль! То, что вы можете моделировать, это пластик. 3D-принтер по сути работает путем выдавливания расплавленного пластика через крошечное сопло, которое перемещается точно под компьютером. контроль. Он печатает один слой, ждет, пока он высохнет, а затем печатает следующий слой поверх. В зависимости от качества принтера вы получаете либо потрясающе выглядящую 3D-модель, либо множество 2D-линий пластика, грубо наложенных друг на друга — как глазурь для торта с плохим контуром! Очевидно, что пластик, из которого печатаются модели, имеет огромное значение.

Фото: 3D-принтер Lulzbot. Вы можете увидеть маленькую катушку из необработанного красного пластика. («нить»), которая подается в печатающую головку сверху. Фото Стефана Белчера предоставлено ВМС США.

Когда мы говорим о пластике, мы обычно имеем в виду «пластик»: если вы прилежный переработчик, вы знаете, что существует много типов пластика, каждый из которых отличается как химически (по своему молекулярному составу), так и физически (по своему молекулярному составу). как они ведут себя по отношению к теплу, свету и так далее). Неудивительно, что 3D-принтеры используют термопласты (пластики, которые плавятся при нагревании и затвердевают при повторном охлаждении), и обычно либо ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), PLA (полимолочная кислота), либо PETG (полиэтиленгерефталатгликоль ).

Возможно, наиболее известный как материал, из которого изготавливаются кубики LEGO®, АБС-пластик также широко используется в салонах автомобилей (иногда и в наружных деталях, таких как колпаки), для изготовления внутренностей холодильников и в пластиковых деталях компьютеров (это довольно скорее всего, мышь и клавиатура, которыми вы сейчас пользуетесь, изготовлены из АБС-пластика). Так почему же этот материал используется для 3D-печати? На самом деле это композит из жесткого пластика (акрилонитрила) с синтетическим каучуком (бутадиен-стирол). Он идеально подходит для 3D-печати, потому что он твердый при комнатной температуре и плавится при температуре немногим более 100°C (220°F), что является достаточно прохладным, чтобы плавиться внутри принтера без перегрева, и достаточно горячим, чтобы модели, напечатанные из него, не выдержали. не тают, если их оставить на солнце. После затвердевания его можно отшлифовать до гладкости или покрасить; Другое полезное свойство АБС заключается в том, что в необработанном виде он имеет беловато-желтый цвет, но можно добавить пигменты (цветные химические вещества в краске), чтобы сделать его практически любым цветом. В зависимости от типа принтера, который вы используете, вы подаете на него пластик либо в виде небольших гранул, либо в виде нитей (например, пластиковых струн).

PLA проще в использовании, чем ABS, и немного более безвреден для окружающей среды, хотя он мягче и менее долговечен. PETG — это промежуточный вариант, он ближе по прочности к ABS, легко формуется и относительно легко перерабатывается.

Вам не обязательно печатать в 3D пластиком: теоретически вы можете печатать объекты, используя любой расплавленный материал, который достаточно быстро затвердевает и затвердевает. В июле 2011 года исследователи из Эксетерский университет Англии представил прототип пищевого принтера, который может печатать 3D-объекты с помощью расплавленного шоколада!

Преимущества и недостатки

Фото: B9Creator™ — типичный недорогой самодельный 3D-принтер. Первоначально он был доступен в виде комплекта по цене 2495 долларов; теперь он поставляется в собранном виде в трех разных версиях по цене от 6000 до 12000 долларов. Фото предоставлено Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2012 г. по лицензии Creative Commons.

Производители 3D-принтеров утверждают, что они работают в 10 раз быстрее, чем другими методами и в 5 раз дешевле, поэтому они дают большие преимущества для люди, которым нужны быстрые прототипы в течение нескольких часов, а не дней. Несмотря на то что высококлассных 3D-принтеров они по-прежнему дороги (обычно около 25 000–50 000 долларов США), они часть стоимости более сложных машин RP (которые входят в по цене от 100 000 до 500 000 долларов), а машины значительно дешевле. также доступен (вы можете купить комплект для 3D-принтера Tronxy примерно за 100–200 долларов). Они также достаточно малы, безопасны, просты в использовании и надежные (функции, которые сделали их все более популярными в таких местах, как дизайнерские/инженерные школы).

С другой стороны, отделка производимых ими моделей обычно уступает тем, которые производятся на машинах RP более высокого класса. Выбор материалов часто ограничивается одним или двумя, цвета могут быть грубыми, и текстура может не очень хорошо отражать предполагаемую отделку продукта. Как правило, модели, напечатанные на 3D-принтере, может быть лучше для грубых, ранних визуализаций новых продуктов; более сложные машины RP могут использоваться позже в процессе, когда проекты ближе к завершению и такие вещи, как точная поверхность текстура важнее.

Приложения

Для чего можно использовать 3D-принтер? Это немного похоже на вопрос «Как сколько способов вы можете использовать фотокопировальный аппарат?» Теоретически единственным ограничением является ваше воображение. На практике пределом является точность модель, с которой вы печатаете, точность вашего принтера и материалы, которыми вы печатаете. Современная 3D-печать была изобретена около 25 лет назад. но по-настоящему он начал набирать обороты только в последнее десятилетие. Довольно технология все еще относительно новая; даже в этом случае область применения 3D-печати довольно удивительно.

Медицина

Фото: Пластиковые сердца, напечатанные на 3D-принтере, позволяют хирургам проводить операции без риска. Модель доктора Мэтью Брамлета. Фотография, являющаяся общественным достоянием, опубликована на Flickr с разрешения US NIH Image Gallery и 3D Print Exchange.

Жизнь — это путешествие в один конец; подверженные ошибкам, стареющие люди со складками, рушащиеся тела, естественно, видят большие перспективы в технологии, которая возможность создания замещающих частей тела и тканей. Вот почему врачи были одними из первых, кто начал изучать 3D-печать. У нас уже есть видел напечатанные на 3D-принтере уши (от индийской компании Novabeans), руки и ноги (от Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group и Bespoke) и мышцы (из Корнельского университета). 3D принтеры есть также использовался для производства искусственных тканей (Organovo), клеток (Samsara Sciences) и кожи (в партнерстве косметических гигантские L’Oreal и Organovo). Хотя мы далеки от того, чтобы иметь полные 3D-печатные замещающие органы (такие как сердце и печень), дело быстро движется в этом направлении. Один проект, известный как тело на чипе, находится в ведении Института регенеративной медицины Уэйк Форест в Северной Каролине. печатает миниатюрные человеческие сердца, легкие и кровеносные сосуды, помещает их на микрочип и проверяет с помощью своего рода искусственной крови.

Помимо замены частей тела, 3D-печать все чаще используется для медицинского образования и обучения. В детском саду Никлауса Больница в Майами, Флорида, хирурги практикуют операции на Реплики детских сердец, напечатанные на 3D-принтере. В другом месте то же самое техника используется для репетиций операций на головном мозге.

Авиакосмическая и оборонная промышленность

Проектирование и испытания самолетов — дело сложное и дорогое: Боинг Внутри Dreamliner находится около 2,3 миллиона компонентов! Несмотря на то что компьютерные модели могут быть использованы для проверки довольно многих аспектов того, как самолеты поведение, точные прототипы все еще должны быть сделаны для таких вещей, как испытания в аэродинамической трубе. А 3D-печать — это простой и эффективный способ сделай это. В то время как коммерческие самолеты строятся в больших количествах, военные самолеты, скорее всего, будут сильно настроены, а 3D-печать позволяет проектировать, тестировать и производить малосерийные или единичные детали как быстро и рентабельно.

Фото: ВМС США тестируют 3D-принтеры на кораблях с один был установлен на USS Essex в 2014 году. Теоретически бортовой принтер делает корабль более самостоятельным, с меньшей потребностью носить с собой запасные части и материалы, особенно в военное время. Это напечатанное на 3D-принтере подводное беспроводное зарядное устройство. типичные объекты, которые могут быть напечатаны во время миссии в море. Фото Девина Писнера предоставлено ВМС США.

Космические корабли еще сложнее самолетов и имеют дополнительные недостаток в том, что они «изготавливаются» в крошечных количество — иногда только один когда-либо сделан. Вместо того, чтобы идти на все расходы изготовления уникальных инструментов и производственного оборудования, он может сделать многое больше смысла в 3D-печати одноразовых компонентов. Но зачем даже делать космические части на Земле? Доставка сложных и тяжелых конструкций в пространство сложно, дорого и требует много времени; способность к производить вещи на Луне или на других планетах, может оказаться бесценный. Легко представить космонавтов (или даже роботов), использующих 3D. принтеры для производства любых предметов, которые им нужны (включая запасные части), вдали от Земли, всякий раз, когда они им нужны. Но даже обычные космические проекты, созданные на Земле, могут извлечь выгоду из скорость, простота и низкая стоимость 3D-печати. Последний, поддерживающий человека NASA Rover использует детали, напечатанные на 3D-принтере с помощью Stratasys.

Фото: Запчасти и ремонт не проблема. Крупный план 3D-принтера Lulzbot Taz 6, используемого для изготовления запасных частей на борту военного корабля США. Фото Кристофера А. Велоиказа предоставлено ВМС США.

Визуализация

Создание прототипов самолетов или космических ракет является примером гораздо более широкое использование 3D-печати: визуализация того, как новые проекты будут смотреть в трех измерениях. Мы можем использовать такие вещи, как виртуальная реальность для это, конечно, но люди часто предпочитают то, что они могут видеть и трогать. 3D-принтеры все чаще используются для быстрого и точного архитектурное моделирование. Хотя мы не можем (пока) 3D печатать материалы таких как кирпич и бетон, существует широкий спектр пластиков доступны, и их можно покрасить, чтобы они выглядели как реалистичное здание заканчивается. Точно так же 3D-печать сейчас широко используется для прототипирование и тестирование промышленных и потребительских товаров. Так как многие повседневные вещи лепятся из пластика, 3D-печатная модель может выглядеть очень похоже на готовый продукт — идеально подходит для фокус-группы тестирование или исследование рынка.

Индивидуальные продукты

От пластиковых зубных щеток до оберток от конфет — современная жизнь здесь-сегодня, уехало-завтра — удобно, недорого и одноразово. Однако не все ценят готовое массовое производство. именно поэтому так популярны дорогие «дизайнерские лейблы». в будущем, многие из нас смогут пользоваться преимуществами доступные, высоко персонализированные продукты, изготовленные на заказ в соответствии с нашими точными требованиями. Технические характеристики. Ювелирные изделия и модные аксессуары уже в 3D-печати. Так же, как веб-сайт Etsy создал всемирное сообщество ремесленников, поэтому Zazzy теперь воспроизвел что с использованием технологии 3D-печати. Благодаря простым онлайн-сервисам, таким как Shapeways, каждый может сделать свои собственные безделушки на 3D-принтере, либо для себя, либо для продавать другим людям без затрат и хлопот, связанных с использованием собственного 3D-принтера (даже Staples теперь предлагает услуги 3D-печати в некоторых своих магазинах).

«Индивидуальные продукты» — это не просто вещи, которые мы покупаем и используем: пища, которую мы едим, тоже может попасть в эту категорию. Готовка требует времени, умения и терпения, ведь приготовление аппетитного Еда выходит далеко за рамки смешивания ингредиентов и нагревания их на плите. Поскольку большую часть пищи можно экструдировать (выдавливать через сопла), ее можно (теоретически) также могут быть напечатаны в 3D. Несколько лет назад, Зло Безумный Ученые Лаборатории игриво напечатали странные объекты из сахар. В 2013 году Нью-Йорк Таймс обозреватель А.Дж. Джейкобс поставил перед собой задачу распечатайте всю еду, включая тарелку и столовые приборы. в В процессе он случайно наткнулся на работу Хода Липсона из Корнельского университета, кто верит, что когда-нибудь еда может быть напечатана на 3D-принтере лично, чтобы соответствовать точные потребности вашего тела в питании. Что плавно переносит нас в будущее…

Фото: Теоретически вы можете делать 3D-принтеры из любого исходного материала, который вы можете использовать. ваш принтер. Вот несколько фантастических 3D-объектов, напечатанных сахарным песком. «CandyFab 4000» (взломанный старый плоттер HP) всегда интересным народом в Evil Mad Scientist Laboratories. Фото предоставлено Уинделлом Х. Оскеем, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2007 г. по лицензии Creative Commons.

Будущее 3D-печати

Многие люди считают, что 3D-печать станет не просто приливной волной дерзких пластиковых уловок, но революция в обрабатывающей промышленности и мировая экономика, которой она управляет. Хотя 3D-печать будет безусловно, позволяют нам делать наши собственные вещи, есть ограничение того, что вы можете сделать самостоятельно с дешевым принтером и трубка из пластика. Реальные экономические выгоды, скорее всего, появятся, когда 3D-печать повсеместно применяется крупными компаниями в качестве основного опора обрабатывающей промышленности. Во-первых, это позволит производители предлагают гораздо больше возможностей для настройки существующих продуктов, поэтому доступность готового массового производства будет в сочетании с привлекательностью уникального, сделанного на заказ ремесленного ремесла. Во-вторых, 3D-печать — это, по сути, роботизированная технология, поэтому она снизить себестоимость производства до такой степени, что однажды опять же, быть рентабельным для производства товаров в Северной Америке и Европа, которую в настоящее время дешево собирают (плохо оплачиваемые люди) в таких местах, как Китай и Индия. Наконец, 3D-печать повысит производительность (поскольку для изготовления одних и тех же вещей потребуется меньше людей), снижение себестоимости продукции в целом, что должно привести к снижению цен и больший спрос — и это всегда хорошо, для потребителей, для производителей и экономики.

Фото: два вида печатающей головки (иногда называемой «инструментальной головкой») 3D-принтера. Фото Эшли Маклафлин любезно предоставлено Корпус морской пехоты США.

Как работают 3D-принтеры? Кроме того, как сейчас используется 3D-печать

Каждый редакционный продукт выбирается независимо, хотя мы можем получать компенсацию или партнерскую комиссию, если вы покупаете что-то по нашим ссылкам. Рейтинги и цены точны, а товары есть в наличии на момент публикации.

Представьте, что вы можете использовать домашний принтер для создания собственного декора, музыкальных инструментов или фотоаппаратов. Или что, если бы производители могли печатать настраиваемые автомобильные детали, а врачам не нужно было бы беспокоиться о списках доноров, и они могли бы просто печатать органы, в которых нуждаются их пациенты? Это и многое другое возможно с помощью 3D-печати — и это происходит уже сейчас. Но как работают 3D-принтеры и может ли кто-нибудь их использовать?

Хотя механизмы могут быть сложными, технология становится все более доступной и доступной, и она удивительно экологична. Нил Гершенфельд, директор Центра битов и атомов Массачусетского технологического института, говорит, что прямо сейчас происходит «движение производителей». «Если бы вы спросили обычного человека, хочет ли он получить доступ к автоматизированным производственным инструментам, он, вероятно, пожал бы плечами», — говорит он. «Но если вы спросите, хотите ли вы делать мебель на заказ в своем доме и создавать игрушки для своих детей? Это совершенно новый мир возможностей».

Ожидается, что к 2026 году рынок 3D-печати утроится и достигнет почти 45 миллиардов долларов во всем мире, и администрация Байдена рекламирует 3D-печать или аддитивное производство как способ решения проблемы нехватки цепочки поставок и помощи американским семьям. «Технология 3D-печати невероятна, — сказал президент Байден в мае 2022 года. — Она может сократить время изготовления деталей на целых 90 %, снизить затраты на материалы на 90 % и сократить потребление энергии вдвое. Все это помогает снизить затраты на производство товаров здесь, в Америке».

Как именно? Вот что вам нужно знать о 3D-печати — от того, как она в настоящее время используется с реальными роботами, до того, как она связана с переработкой отходов в будущем и устойчивым образом жизни.

На этой странице

Что такое 3D-принтер?

кинни / Getty Images

В конце концов, 3D-принтеры — это буквально просто принтеры. Но вместо того, чтобы печатать слова на бумаге, они печатают 3D-объекты слой за слоем и могут делать их из чего угодно — от углеродного волокна и порошков до пластика и металла. Они также могут комбинировать различные материалы в своем производстве — например, металлические предметы, которые имеют пластиковые компоненты, такие как лопасти ветряных турбин и детали двигателя, — что устраняет необходимость в нескольких машинах (и рабочих) для производства объекта. В конечном итоге это может снизить затраты компаний, сократить сроки создания продукта и устранить потери.

3D-принтеры используются не только на заводах. Потребители также могут эффективно использовать их дома. «Это интересно, потому что производство находится в руках пользователя», — говорит Дэвид Бурелл, профессор машиностроения, материаловедения и инженерии Техасского университета в Остине. «По аналогии, много лет назад для фотографирования требовался профессиональный фотограф. По мере развития фотографии люди могли сами фотографировать, что взорвало фотографические достижения. [Здесь] пользователь может создавать и строить без участия кого-либо еще, что способствует инновациям и творчеству».

Когда была изобретена 3D-печать?

Концепция 3D-печати существует с 1945 года. Именно тогда писатель-фантаст Мюррей Лейнстер опубликовал свой рассказ «Вещи проходят мимо», в котором описывалась машина с подвижной рукой, которая могла превращать рисунки в трехмерные объекты, созданные из расплавленный пластик. Корпорация Teletype, которая изобрела струйные принтеры в 60-х годах, экспериментировала с примитивными 3D-принтерами, использующими расплавленный воск, в 1971 году, но только в 1980-х годах был создан первый настоящий 3D-принтер.

Физик Чарльз Халл придумал эту идею в 1983 году, когда использовал ультрафиолетовое излучение для отверждения покрытий на столешнице, и запатентовал технологию в 1986 году. В то время он называл этот процесс «стереолитографией». Предназначенный для использования в научно-исследовательских лабораториях и на производственных предприятиях, он вырос из общего недовольства медленными сроками производства и необходимостью использования мелких деталей в новых конструкциях.

Халл основал компанию 3D Systems и расширил свои патенты, включив в них нежидкости. Автопроизводители, больницы и аэрокосмические компании сразу же проявили интерес к перспективам этого изобретения. В 2014 году Халл был занесен в Национальный зал славы изобретателей.

Сколько существует видов 3D-принтеров?

Альянс фотографий / Getty Images

Вам нужно знать несколько вещей, прежде чем мы ответим на вопрос «Как работают 3D-принтеры?» Начнем с того, что 3D-принтеры бывают разных размеров и форм: от моделей, которые можно разместить на столе, до гораздо более крупных строительных моделей, используемых для изготовления стен и фундаментов небольших домов с помощью 3D-печати.

Существует семь типов 3D-принтеров, каждый из которых используется по-своему. Моделирование методом наплавления (FDM) является наиболее популярным из-за его высокой точности, низкой стоимости и большого выбора материалов. Принтеры FDM можно использовать для изготовления всего, от защитных свистков до футляров для наушников и держателей для карандашей, и это, как правило, то, что вы получите, если купите 3D-принтер для домашнего использования.

«Процесс очень прост, — говорит Денис Кормье, профессор промышленной и системной инженерии Рочестерского технологического института. «По сути, это более дорогой пистолет для клея-расплава. Большой процент этих машин используется любителями из-за низкой стоимости и простоты». Некоторые из наиболее интересных вещей, которые можно создать с помощью этого типа принтера, включают 3D-печатные автомобили, беспилотные летательные аппараты и 3D-электрогитары.

Вот краткий обзор других доступных 3D-принтеров:

• Стереолитография: Процесс промышленной печати, используемый для создания прототипов разрабатываемых продуктов, медицинских моделей и компьютерного оборудования. Стереолитография создает продукты послойно. Это быстро, но может быть дорого.
• Цифровая обработка света: В этом типе 3D-печати используются цифровые микрозеркала и проецируемый источник света. Он популярен в стоматологической, медицинской и ювелирной промышленности.
• Селективное лазерное спекание: SLS использует лазер в качестве источника энергии и тепла для спекания порошкообразных материалов. Он используется для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства компонентов.
• Селективное лазерное плавление: Подобно селективному лазерному спеканию, селективное лазерное плавление использует слой порошка с источником тепла для создания металлических деталей. Он используется в производстве компонентов аэрокосмической промышленности, деталей двигателей, а также стоматологического и медицинского инженерного оборудования, такого как имплантаты и протезы.
• Производство ламинированных объектов: Считающееся быстрым и недорогим способом 3D-печати объектов из различных материалов, производство ламинированных объектов в основном используется для быстрого прототипирования, а не для производства. Поскольку дизайнеры могут быстро создать масштабную модель с помощью этого типа 3D-печати, они часто используют его для представления новых концепций инвесторам, заказчикам и клиентам.
• Цифровая плавка: Возможно, это самый сложный тип 3D-печати, и для использования технологии электронно-лучевой плавки требуется опытный специалист. Он часто используется для печати компонентов для автомобильной, аэрокосмической, оборонной и медицинской промышленности.

Сколько стоит 3D-принтер?

Хотите верьте, хотите нет, но любитель может купить 3D-принтер по цене от 300 до 500 долларов. Конечно, чем более сложные 3D-принтеры стоят недешево, и чем более специализированной и сложной является область, тем выше затраты. Профессиональный 3D-принтер, используемый для изготовления мебели, продуктов питания или промышленных товаров, может стоить от 1000 до 10 000 долларов, хотя некоторые из них в автомобильной, медицинской и аэрокосмической отраслях, особенно те, которые используют более продвинутый ИИ, стоят от 500 000 до 1 миллиона долларов. И этот ценник не учитывает затраты на материалы, эксплуатацию и техническое обслуживание. Согласно онлайн-журналу All3DP, килограмм металлического порошка может стоить до 600 долларов.

Как работают 3D-принтеры?

RD.com, Getty Images

Как отмечалось ранее, 3D-принтеры работают с помощью процесса, известного как аддитивное производство, в котором используется автоматизированное проектирование или САПР. Это технический способ сказать, что 3D-принтер использует компьютерную программу для создания объекта слой за слоем. Хотя каждый 3D-принтер работает немного по-своему, основная концепция начинается с проектирования объекта, который вы хотите напечатать на компьютере. Программное обеспечение для моделирования невероятно точное и создает 3D-модель вашего дизайна. Rhino — одна из самых популярных программ для 3D-печати на рынке.

Когда вы печатаете свое творение на 3D-принтере, оно выходит в виде кусочков. Каждый небольшой слой склеивается, образуя единый объект снизу вверх. Каждый перекрывающийся тонкий слой может быть довольно сложным и даже включать в себя движущиеся части, такие как шарниры и колеса. Этот процесс продолжается до тех пор, пока модель не будет завершена.

Наиболее распространенным материалом, из которого 3D-принтеры создают объекты, является термопластичная нить, которая, по сути, является «чернилами» в этих принтерах. Этот материал известен своей гибкостью и долговечностью. Другие материалы, используемые 3D-принтерами, включают пластмассы, порошки, смолы и металлы. Поскольку 3D-принтер создает только то, что программа говорит ему создать, а не изготавливает его из сыпучих материалов, этот тип производства может сократить количество отходов, повысить устойчивость бизнеса и вызвать положительный волновой эффект для окружающей среды.

Что можно сделать с помощью 3D-принтера?

Теоретически с помощью 3D-принтера можно сделать все, что угодно, хотя в основном он используется в производстве и прототипировании, строительстве, медицине и образовании. В настоящее время у нас есть возможность делать телескопы, камеры, металлические детали для машин, пластиковые игрушки, керамические чашки, керамические вазы и даже торты — да, торты, которые действительно можно есть! Любители могут создавать непромышленные предметы дома, и многие даже продают свои товары в Интернете в качестве подработки. В настоящее время самыми популярными 3D-печатными объектами являются костюмы, аксессуары, реквизит, миниатюрные фигурки и цветочные горшки.

3D-принтеры также были ключевым инструментом в разгар пандемии COVID-19, когда не хватало СИЗ. Больницы полагались на 3D-принтеры для снабжения своего персонала халатами, масками и респираторами, а также для создания деталей для вентиляторов. Один старшеклассник из Сиэтла даже управлял фабрикой масок из своего дома, используя 3D-принтер.

Достижения в области медицины, возможно, являются одними из самых захватывающих, поскольку ученые могут создавать протезы и имплантаты с помощью 3D-печати. Они также могут создавать настоящие части тела, такие как уши, из стволовых клеток, коллагена и структурных белков человеческого тела, называемых фибрином; этот процесс известен как биопечать, хотя большая его часть все еще находится на стадии тестирования. Кроме того, исследователи могут легко и этично тестировать фармацевтические препараты с помощью тканей, созданных с помощью 3D-принтеров.

via merchant

Comgrow Creality Ender 3 3D Printer

Shop Now

via merchant

Sunlu PLA 3D Printer Filament

Shop Now

via merchant

Labists 3D Printer for Kids

Shop Now

What does будущее для 3D-печати?

Возможно, в будущем дизайнеры и любители не будут задаваться вопросом «Как работают 3D-принтеры?» потому что 3D-принтеры, вероятно, будут тесно связаны с нашей повседневной жизнью. Сегодня детей учат 3D-печати в начальной школе, и многие местные библиотеки в настоящее время имеют доступные машины, как и такие магазины, как UPS и Staples.

Честно говоря, возможности безграничны в аэрокосмической, электронной, медицинской, энергетической и автомобильной промышленности, где 3D-принтеры станут еще более важными инструментами. Хотя это может быть удобно, когда речь идет об автомобилях, которые могут быть настроены для покупателей, это еще более важно в области медицины.