Раньше технология трехмерной печати использовалась лишь на производстве, теперь же и для обычного пользователя она открыла небывалые возможности.
Детально о 3 д принтерах и их принципе действия
Печатающая техника бывает нескольких видов. Ранее мы уже публиковали статьи о струйных и лазерных аппаратах. В этом материале детально расскажем, что такое 3d принтер и как работает этот вид устройств.
Хоть популярности такие «девайсы» приобрели только в последнее десятилетие, но история их начинается еще с восьмидесятых годов прошлого столетия. И как показывает практика, нужны они в самых разных областях жизни человека. А потому по характеристикам делятся на разные виды и типы 3д устройств. А также применяются несколько технологий печати и порой кардинально разные.
Чтобы правильно пользоваться этим типом техники, рекомендуем ознакомиться с принципом ее работы и посмотреть на видео, как и чем печатает 3 д принтер. Также присмотритесь к используемым для печати материалам. Они должны быть качественными и подходить устройству по характеристикам, что указывается в инструкции к нему.
Что это
3d принтер — это высокотехнологичное устройство, станок с ЧПУ (числовым программным управлением), реализующий идею послойного наращивания (печатания) объектов. Исходный материал в размягченном состоянии поэтапно наносится сразу на платформу, основу, а затем на заготовку. Механика принтера управляется программным обеспечением. Устройства отличаются конструкцией, принципом нанесения слоев, материалами, характеристиками и ценой.
История появления
В XX веке востребованными стали методы производства деталей, комплектующих и целых изделий на станках с применением координатных столиков. В 50-е годы с появлением алфавитно-цифровых печатающих устройств в воздухе начали витать идеи о трехмерной печати. Лишь в 1980-х годах развивается метод производства, основанный не на резании (фрезеровании, сверлении, точении, вырезании) – удалении материала из заготовки (аналог изготовления скульптуры), а путем его послойного добавления (для примера – выращивание кристаллов). Детали соответствовали образцу, созданному в системе автоматического проектирования.
Материалами выступали полимерные, металлические, керамические порошки. Связывались они диффузионным, термическим (плавление) либо клеевым методом. За три десятилетия совершенствования вычислительной техники, программного обеспечения и роста потребности в 3D-печати последняя развилась до получения металлических и полимерных изделий, не нуждающихся или требующих минимальной постобработки.
Десятки специалистов из многих стран мира работали над воплощением фантастических устройств для трехмерной печати. Чак Халл – нынешний главный директор технологического отдела 3D Systems изобрел прибор, работающий по методу лазерной стереолитографии.
Прототип выращивается из жидкого фотополимера под воздействием лазерного излучения. Передвижная платформа упрощает фокусировку лазера в нужных местах. Фотополимер после облучения лазером слой за слоем затвердевает, составляя основу прототипа. Готовый объект погружают в химический раствор для удаления излишков и сглаживания неровностей.
- Первые модели в 80–90 годов. Второй прорыв совершил соучредитель Stratasys Скотт Крамп с женой Лизой. Супружеская пара разработала технологию послойного нанесения материалов путем направления. Она и стала основой современных 3D-принтеров. Полимер в виде нитей расплавляется и в размягченном вязком состоянии наносится на подложку, повторяя форму созданной на компьютере цифровой модели.
- «Революция» 2005 года. Та же 3D Systems в 1995 году выпустила на рынок первые принтеры Actua 2100. Они были дорогими и очень медленными. Через десять лет инженеры продемонстрировали первые высокопроизводительные цветные 3D-принтеры с мощным программным комплексом для моделирования и управления печатью. 2005 год – начало эры трехмерной печати.
Основные характеристики
При выборе принтера ориентируйтесь на три вещи: бюджет, сфера эксплуатации и технические характеристики. С первым определяйтесь самостоятельно, с остальным мы поможем.
| Область печати | Максимальные габариты прототипа по трем направлениям, которые распечатает принтер. Реже указывается в кубическим сантиметрах, что менее информативно для потенциального клиента. Обычно область на несколько процентов меньше указанных значений. |
| Расширение | Под расширением понимают минимальную толщину слоя материала. Чем ниже, тем качественнее модель, ровнее поверхность, менее нуждается в минимальной постобработке. В дорогих принтерах толщина наносимого слоя выставляется оператором. |
| Экструдер | Экструдер или печатающая головка подготавливает (плавит) и наносит жидкий материал на подложку (модель). Состоит из сопла, откуда подается расплавленный пластик, транспортер для подачи полимерной нити, термодатчик для контроля за температурой и охлаждающий механизм. Модели с двумя-тремя экструдерами печатают цветные прототипы. Промышленные принтеры выпускаются и с двойным соплом. |
| Способы подключения | Трехмерные принтеры коннектятся к компьютерам и ноутбукам через классический USB или по беспроводной линии связи Wi-Fi. |
| Встроенное программное обеспечение | Микропрограмма – интерпретирует команды операционной системы и реализует их – «сообщает» принтеру, что нужно делать, чтобы напечатать трехмерную модель. |
3D-печать — обширная и сложная тема, в которой можно разбираться бесконечно. Расскажем вкратце, как работает 3D-принтер, чем он печатает и как модель с компьютера превращается в физический объект.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтинг. Изготовление физических предметов с помощью цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры еще не сильно отличались от калькуляторов, а до выхода Windows-95 было десять лет, он изобрел стереолитографию — предшественницу 3D-печати. Работала технология так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал застывал и превращался в пластиковое изделие. Форму печатали по цифровым объектам, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими издержками.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
- экструдер, или печатающая головка — разогревает поверхность, с помощью системы захвата отмеряет точное количество материала и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей;
- рабочий стол (его еще называют рабочей платформой или поверхностью для печати) — на нем принтер формирует детали и выращивает изделия;
- линейный и шаговый двигатели — приводят в движение детали, отвечают за точность и скорость печати;
- фиксаторы — датчики, которые определяют координаты печати и ограничивают подвижные детали. Нужны, чтобы принтер не выходил за пределы рабочего стола, и делают печать более аккуратной;
- рама — соединяет все элементы принтера.
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
FDM
Моделирование методом послойного наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF) — самый популярный и массовый тип 3D-печати.
Стандартное FDM-устройство работает как термоклеевой пистолет управляемый роботом, что не удивляет, ведь разработка технологии FDM когда-то начиналась с опытов с термоклеем. Пластиковый пруток проталкивается через горячее сопло, где он плавится, а выходя из него укладывается слоями. Процесс повторяется снова и снова, пока не появится готовый 3D-объект.
Единственное отличие в том, что 3D-принтеры используют не стержни термоклея, а пластиковый филамент намотанный на катушки.
Самые распространенные материалы для FDM (FFF) — пластики ABS и PLA.
Пластиковая нить, она же филамент, выпускается в такой форме для того, чтобы она могла легко плавиться при заданной температуре, но очень быстро застывать — после охлаждения всего на пару градусов. Именно это и позволяет печатать 3D изделия со сложной геометрией с высокой точностью.
Проще говоря, 3D-печать отличается от традиционной 2D-печати только тем, что повторяется снова и снова, создавая слой за слоем, один на поверхности другого. В конце концов, тысячи слоев образуют 3D-объект.
FDM-принтер на примере MakerBot Replicator 2
Стереолитография
Стереолитография использует свет для “выращивания” объектов в емкости с фотополимерной смолой. Как и в прочих технологиях 3D-печати, изделие образуется слой за слоем, здесь — при отверждении жидкого фотополимера светом.
От FDM стереолитография отличается более монолитными принтами, даже с одинаковой заданной толщиной слоя.
На фото: принты FDM и SLA, слой обеих моделей — 0,1 мм.
Дело в разнице в технологиях — фотополимерная засветка дает более аккуратные слои, чем расплавленный филамент выдавливаемый из сопла FDM-принтера.
SLA и DLP — две разновидности стереолитографии. SLA — лазерная стереолитография, DLP — цифровая проекция. Различие между ними в том, что в SLA источником света служит лазер, а в DLP — проектор.
Независимо от технических особенностей, принцип работы устройств SLA и DLP схож. Для запуска печати необходимо опустить специальную платформу построения в емкость с жидкой фотополимерной смолой.
Платформа останавливается на высоте одного слоя от дна емкости.
Происходит засветка источником света принтера.
Жидкий полимер, под воздействием света, становится твердым и прилипает к платформе построения. После этого платформа поднимается на высоту еще одного слоя и процесс повторяется.
SLA-принтер на примере Formlabs Form 2
SLA дает более гладкие поверхности, по сравнению не только с FDM, но и с DLP, о которой рассказываем далее.
Так получается потому, что DLP проецирует слои картинкой из пикселей, а луч лазера в SLA движется непрерывно, что дает ровный, не пикселизованный слой.
DLP в тех же целях использует проектор, а LED DLP — ЖК-дисплей с ультрафиолетовой подсветкой. В этих конструкциях свет проецируется на смолу по всей площади слоя одновременно, что дает преимущество в скорости, когда необходима печать крупных объектов с заполнением в 100% — полная засветка слоя происходит быстрее, чем в SLA.
Но при печати мелких или пустотелых объектов SLA быстрее, так как интенсивность засветки лазерным лучом, а значит и скорость полимеризации, выше.
