Что такое 3д принтер, как работает, для чего нужен трехмерный принтер

До того, как появились 3D-принтеры, модели и прототипы вырезались из дерева или собирались из небольших кусочков пластика. Это занимало несколько дней или даже недель, а внесение изменений было практически невозможным. Теперь у дизайнеров и разработчиков появилась возможность за несколько часов создавать прототипы разной сложности. Рассказываем о технологии объёмной печати: что это такое, и как работает 3Д-принтер?

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 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.

В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».

Для чего нужен 3D-принтер

3D-принтеры печатают объёмные вещи из пластика или других материалов. Их можно использовать в быту или производстве. Например, вот что можно напечатать на 3D-принтере:

Корпус для батареек.

Светодиодную лампу на шарнирах.

Лампу в стиле Minecraft.

Модель старинного замка.

Как устроен 3D-принтер?

Одни из главных механизмов в 3Д-принтере — это печатающая головка и рабочая платформа. Они показаны на схеме ниже. Печатающая головка формирует слои материала, превращая их в трёхмерную модель. Она передвигается справа налево вдоль осей X и Y. Рабочая платформа предназначена для размещения прототипа, она передвигается вверх и вниз по оси Z.

Как работает 3D-принтер?

Начнем с технологии печати. В наши дни 3D-принтеров очень много, а соответственно, и способов создания моделей с их помощью — тоже не перечесть. Но в принципе, все принтеры в основе имеют одну из трех различных технологий.

Во-первых, существует так называемая стереолитография (SL или SLA). Внутри принтера помещается ванна, в которой находится жидкий фотополимер. Фотополимеры — это пластмассы или смолы, которые затвердевают при воздействии света. Принтеры обычно работают с акриловой, эпоксидной или виниловой смолой. По поверхности смолы движется лазерный луч, и там, где он ее касается, смола отвердевает.

В фотополимерном бассейне есть платформа, которая после каждого затвердевания опускается немного вниз (глубже в ванну). Таким образом, объект печатается по рядам, как текст в обычном принтере. После полного отвердения модели она отличается высокой прочностью и химической стойкостью. Преимуществом этого метода является точность передачи: даже мелкие микрометрические структуры принтер может напечатать очень чисто. К сожалению, стереолитографические принтеры в настоящее время очень дороги.

Вторая технология работы 3D-принтера — селективное лазерное спекание (SLS). Чтобы понять, как это работает, представьте себе вертикальную трубу, в которой находится движущаяся платформа. В начале печати платформа находится наверху.

Пластик, формовочный песок с пластмассовым покрытием, металлический или керамический порошок распределяются по платформе тонким слоем при помощи валика. Затем по платформе начинает перемещаться лазерный луч, нагревая определенные точки в порошке, так что они соединяются и образуют первую плоскость объекта. После этого платформа движется немного вниз, и процесс начинается снова. Таким образом, объект снова строится по слоям.

Третий способ — классический. Он называется моделированием методом наплавления (FDM). В этом процессе каждый новый слой изделия формируется из жидкого пластика, который пропускается через экструдер (программируемое устройство, придающее ему определенную форму) и после этого немедленно утверждается лазером.

Затем отвержденный слой смещается вниз, экструдер придает форму новому слою, и он наплавляется сверху на предыдущий, и так далее. Такие принтеры относительно недороги и могут быть собраны самостоятельно с применением некоторых ноу-хау. Здесь точность печати получается хуже по сравнению со стереолитографией, однако для любителей это самая подходящая процедура 3D-печати.

Применение

На первый взгляд 3D-принтеры являются чем-то революционным, способным заменить все существующие способы производства. Теоретически так оно и есть, технологии объемной печати позволяют воссоздавать практически любые предметы с нужными нам функциями без применения сложного производственного оборудования.

Совсем недавно миру стал известен вдохновляющий пример. 25-летний анархист, студент юридического факультета Техасского университета Коди Уилсон смог напечатать пистолет. Разработанный им Liberator почти целиком сделан из пластиковых деталей, напечатанных на принтере Stratasys. Лишь боек в нем сделан из обычного гвоздя из хозяйственного магазина. Пистолет использует обычные пистолетные патроны калибра .38.

Но все ли так радужно на практике? Ведь случай Уилсона нельзя считать доказательством всесильности данной технологии. Он лишь показал, что с помощью принтера можно сделать многое, а целесообразно ли печатать – другой вопрос. Пока что 3D-печать остается слишком дорогой. Дело тут не только в дорогостоящем оборудовании. Применяемые технологии пока еще довольно сырые, а расходные материалы зачастую очень дороги и не всегда доступны.

Наиболее перспективная область использования 3D-принтеров – быстрое прототипирование. В условиях жесткой конкуренции и очень сжатых сроков разработки раннее создание качественных прототипов может помочь оказаться на шаг впереди конкурентов. С появлением бюджетных потребительских моделей объемная печать стала все чаще использоваться дизайн-мастерскими, конструкторскими бюро и другими организациями, занимающимися разработками.

Еще одна перспективная область – формы для литейного производства. Сегодня изготовление форм традиционными методами – дорогостоящая и кропотливая процедура. Объемная печать позволяет ускорить и удешевить этот процесс.

Использование материалов со свойствами проводников, диэлектриков и полупроводников позволяет печатать электронные приборы. При этом отпадает необходимость в сборке, так как корпус печатается вместе с электрическими компонентами в одном цикле.

Как видим, горизонты у 3D- печати широки уже сейчас. То ли еще будет.

Как создают изделия

За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.

Технология SLA

Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает.

В качестве фотополимера могут использоваться самые разные материалы. Их физико-механические характеристики могут сильно различаться между собой. Однако ни одному производителю пока не удаётся создать действительно прочный материал. Характеристики смол по прочности сравнимы с эпоксидной смолой.

После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.

Технология SLS

Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча – оно же SLS — единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья.

Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. В SLS технологии используются материалы, близкие по свойствам к маркам конечного продукта: керамика, порошковый пластик, металл.

Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.

Технология LCD

Ещё недавно, около 2017 года, 3d-принтеры для печати фотополимером были дорогими. Однако изобретение печати на основе проницаемых матриц LCD изменило ситуацию в корне.

LCD матрица для 3d принтера представляет из себя экран по аналогии с экраном сотового телефона. Сама по себе такая матрица не излучает свет. Она может только изменять степень светопропускания в различных областях. Так формируется картинка слоя печати. А вот источник излучения находится за lcd матрицей. Таким образом для создания подобного 3д-принтера нужно было всего лишь заменить лампу-излучатель на источник ультрафиолетового излучения. Напомним, что подавляющее большинство фотополимеров застывают под действием именно УФ излучения.

Технология DLP

Технология DLP – новичок на рынке трехмерной печати. Стереолитографические печатные аппараты сегодня позиционируются, как основная альтернатива FDM оборудованию. Принтеры данного типа используют технологию цифровой обработки светом. Многие задаются вопросом, чем печатает 3d принтер данного образца? Вместо пластиковой нити и нагревающей головки для создания трехмерных фигур используются фотополимерные смолы и DLP-проектор. Ниже вы можете увидеть, как работает 3d принтер видео:

Впервые услышав про DLP 3d принтер, что это такое – вполне резонный вопрос. Несмотря на замысловатое название, устройство почти не отличается от других настольных печатных аппаратов. К слову, его разработчики, в лице компании QSQM Technology Corporation, уже запустили в серию первые образцы высокотехнологичного оборудования. Выглядит оно следующим образом:

Технология EBM

Стоит отметить, технологии SLS/DMLS – далеко не единственные в области печати металлом. В настоящее время для создания металлических трехмерных объектов широко используется электронно-лучевая плавка. Лабораторные исследования показали, что использование металлической проволоки для послойного наплавления при изготовлении высокоточных деталей малоэффективно, поэтому инженеры разработали специальный материал – металлоглину.

Металлическая глина, использующаяся в качестве чернил во время электронно-лучевой плавки изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и определенного количества воды. Для того чтобы превратить чернило в твердый объект, его нужно нагреть до температуры, при которой клей и вода выгорят, а стружка сплавится между собой в монолит.

Технология CJP

Для печати используется гипсовый композитный порошок, который послойно склеивается специальным жидким клеевым составом. Тонкий слой порошка наносится и разравнивается при помощи валика, а головка точечно наносит клей. Рабочая поверхность опускается, и процесс повторяется.

Достоинства: отсутствие необходимости в поддержках, порошок, который не был проклеен можно использовать ещё раз, возможность создания объектов со сложной геометрией, возможность полноцветной печати, высокое разрешение.

Недостатки: ограниченность материалов, необходимость постобработки, низкая прочность изделий, большой вес и габариты аппарата.

Каков правильный объем печати для 3D-принтера?

Объем сборки – это максимальные размеры (ШДВ) детали, которую он может напечатать. Мы говорим «деталь», потому что объект, может состоять из нескольких частей, которые напечатаны, затем склеены или иным образом соединены вместе. Хотя наименьший объем печати любого принтера, который мы тестировали, составляет 116 × 116 × 125 мм, мы считаем любой объем меньше 200 × 200 × 200 мм малым, любой от этого до 300 × 300 × 300 мм – средним, а любой принтер с хотя бы одним размером более 300 мм – с большим объемом печати.

Как правило, недорогие устройства имеют небольшие объемы, а более дорогие – большие. Это частично зависит от типа принтера. Принтеры с закрытым корпусом и большинство полуоткрытых моделей, которые имеют жесткую верхнюю, нижнюю и боковые стороны, но открыты спереди и часто сзади, как правило, имеют небольшие объемы сборки, в то время как принтеры с открытым корпусом не обладают такой жесткостью. Сопоставьте объем сборки с типами объектов, которые вы будете печатать.

Что следует искать в программном обеспечении и возможностях подключения для 3D-принтеров?

Прошли те времена, когда мастерам-умельцам приходилось сколачивать несколько разных программ, чтобы запустить печать. Производители либо включают свою собственную программу 3D-печати, либо модифицируют существующую платформу с открытым исходным кодом.

Программное обеспечение для 3D-печати выполняет три основные функции: обработка объектного файла (изменение размера, перемещение, вращение и в некоторых случаях его дублирование), его нарезка (на виртуальные слои в зависимости от выбранного разрешения) и его печать. Они почти всегда объединены в единый процесс. У некоторых высокопроизводительных принтеров есть программное обеспечение, которое поддерживает более широкий диапазон настроек, которые вы можете настроить, но даже базовые комплекты работают, по крайней мере, достаточно хорошо.

Какие материалы используются в 3D-печати?

3D-печать осуществляется при помощи различных видов пластика. Он выпускается в форме нитей, намотанных на большие катушки. Нить заряжается в принтер, который втягивает и расплавляет ее для того, чтобы пластик стал жидким, и ему можно было придавать форму.

Чаще всего в принтерах используется полилактид (PLA). Это пластик, который получают из возобновляемых источников — например, из кукурузного крахмала. Он  водоотталкивающий, а также безопасный для изготовления емкостей для пищевых продуктов. Кроме того, он огнестойкий и устойчивый против УФ-излучения. Самое большое преимущество — у него при печати нет неприятного запаха.

Очень часто используется сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS). Этот пластик является одной из наиболее широко используемых пластмасс в мире. Он особенно устойчив к маслам, жирам и высоким температурам. При печати он также не дает запаха. Модели из него получаются матовыми.

Еще один материал для 3D-печати — поливиниловый спирт (PVAL или PVOH). Особенностью этого пластика является его водорастворимость. Благодаря этому он удобен для печати несущих конструкций внутри модели, на которые затем наплавляется водостойкий пластик, тот же PLA. После завершения модели несущие конструкции внутри растворяются.

Для печати несущих конструкций в моделях из пластика ABS часто используется ударопрочный полистирол (HIPS). Этот пластик обладает высокой ударной вязкостью и твердостью.

К эксклюзивным методам относится печать соединениями PLA, то есть, при помощи смеси пластика PLA и частиц других веществ. Таким образом создаются модели, к примеру, из дерева или меди.

Редко, но все-таки используется поликарбонат (PC). У этого пластика очень высокая температура плавления — от 270 ° C до 300 ° C. Кроме того, этот пластик обладает высокой ударопрочностью и термостойкостью.

Для печати деталей механизмов, к примеру, зубчатых колес или винтов, которые должны выдерживать большое усилие и не ломаться, используется нейлон.

Также существует ряд пластиков с маркировкой «elastic» или «flex». Они могут быть изготовлены из разных веществ, но, как правило, в качестве основного ингредиента используются термопластичные эластомеры на основе уретана. Их объединяет одно — гибкость.

Посуда и контейнеры для пищевых продуктов печатаются с использованием безопасных нетоксичных пластика. Это либо уже упомянутый PLA, либо полипропилен (PP), который, в отличие от первого, является гибким. Существует также безопасное для пищевых продуктов сочетание PLA и ABS — PETG, которое более устойчиво к атмосферным воздействиям.