Как работает 3D-принтер? Просто о сложном

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.

Для чего нужен

В одних сферах человеческой деятельности трехмерная печать упростила и ускорила работу, в других – открыла новые возможности. Основные сферы применения:

В быту или образовании используется в качестве средства для проведения экспериментов, создания механизмов.
В инженерии и разработке — для создания прототипов или экспериментальных образцов.
В производстве — для печати полимерных деталей со сложной геометрической формой, создания форм для литья легкоплавких материалов.
В строительстве — габаритные принтеры за считаные часы печатают здания из компаунда на основе бетона, широко применяются для возведения временных конструкций жилья.
Пищевая промышленность использует их для создания элементов украшения для тортов и кондитерских изделий.
В архитектуре — для печати макетов зданий, сооружений и целых микрорайонов.
Мелкосерийное производство деталей, статуэток, сувенирной продукции.
3д в медицине – это точные копии органов и частей тела для экспериментирования, обучения, протезирования.

Плюсы и минусы

Трехмерная печать обладает преимуществами и недостатками.

Плюсы:

Воспроизведение деталей сложной геометрии с точным повторением цифровой модели.
Печать деталей практически неограниченных габаритов на принтерах с соответствующим объемом рабочей камеры.
Высокая точность – качество печати почти всегда опережает качество деталей, изготовленных методом литья с постобработкой (фрезеровкой).
Точность копий – сколько их ни будет, все имеют аналогичную геометрию. Гибкость производства – обычно для формирования новой детали она рисуется в редакторе и, максимум, меняется катушка с нитью на иной цвет.
Цена стартует от пары сотен долларов.

Минусы:

Подготовка к работе. Для настройки печати нужны специальные знания и опыт.
Габариты. Размер камеры в несколько раз меньше размеров самого принтера.
Бюджетные принтеры оснащаются маленькими рабочими камерами, а большие модели делаются поэтапным наращиванием — «склеиванием» моделей из нескольких частей.
Цена расходных материалов (зависит от его типа).
Низкая скорость работы даже моделей для мелкосерийного производства.
Ограниченность в материалах.
Применение поддержек (кроме метода PVA) с постобработкой.
Невысокая прочность модели.

Принцип работы

Нить, называемую «филаментом», подают в экструдер, выступает которым печатающая головка, разогревают в нем до перехода в жидкое состояние.

Затем, сквозь сопло выдавливают. Экструдер приводится в действие двигателями шаговыми и зубчатыми ремнями. У него две плоскости перемещения.

Движется по направляющим он снизу в вверх, нанося на платформу жидкий пластик, слой за слоем и «создавая» изделие, которое как бы растет.

Виды и типы

Виды по технологии печати

Существует десяток технологий трехмерной печати:

FDM. Работа основана на застывании материала при охлаждении. Раздаточная головка послойно наносит разогретый материал на основу. Слои сцепляются друг с другом и быстро остывают. Поддерживается печать несколькими цветами. К принтерам, работающим по технологии FDM, причисляют мэйкерботоподобные, кулинарные (для работы с шоколадом, глазурью) и медицинские агрегаты (печатают гелями с жидкими клетками), Stratasys-принтеры.
Polyjet. Появившаяся в 2005 году методика создания пространственных объектов путем полимеризации фотополимера под воздействием лазерного излучения. Фотополимер применяется преимущественно в медицине: он легкий и хрупкий, а технология печати обеспечивает высочайшую детализацию прототипа.
MJM. Многоструйное моделирование посредством подачи материала через десятки микроскопических сопел. Из-за хрупкости готовых моделей и дороговизны расходных материалов технология применяется редко, разве что для создания силиконовых форм для литья.
Lens. Расходный материал, выдавливаемый из сопла, облучается лазером и тут же спекается. Создает объекты из металлического порошка (частицы титана, стали). Порошки могут перемешиваться, создавая сплавы уже во время печати детали.
LOM. Ламинирование – формирование композиции из ламинированных листов. Нужные детали вырезаются лазером, накладываются и склеиваются (спрессовываются) в будущую модель. В качестве расходника применяют бумагу, алюминиевую фольгу, которая спекается под воздействием ультрафиолета, пластик. Преимущество метода – копеечная цена расходников (бумаги).
SLA. Стереолитография или фотополимеризация – прототип выращивается на помещенной в жидкую ванну сетке. Сначала ее покрывает слой вещества толщиной до 0,13 мм (разрешение). Лазер сверху обрабатывает те участки полимера, которые должны затвердеть. Платформа опускается на 0,05-0,13 мм в зависимости от разрешения и процесс повторяется. Деталь нуждается в постобработке – шлифовании, иногда в обработке в ультрафиолетовой духовке. Не позволяет печатать двумя материалами или цветами.
LCD. Ультрафиолетовая светодиодная матрица засвечивает фотополимерный материал через жидкокристаллический экран. Последний управляет степенью поляризации света по всей своей площади, формирую матрицу будущего слоя детали.
DLP. Вид SLA-печати, где в качестве исходников применяются жидкие фотополимерные смолы. Для полимеризации (отверждения) полимера применяется обычный видимый свет. Модель может формироваться как на поднимающейся, так и на опускающейся платформе.
SLS. Относится к методам создания прототипов на базе выровненного слоя порошка, который спекается лазерным лучом. Технология позволяет работать с керамическим, металлическим порошками, стеклом, пластиком, получать мелкие и сложные детали. Не спекшийся порошок минимизирует количество расходуемых материалов.
EBM — электронно-лучевая плавка порошка металла в вакуумной камере. Для формирования модели задействуется металлическая глина: порошок металла, органический клей и вода. Из-за нагревания смеси вода с клеем испаряются, а частицы стружки сплавляются.
3DP. Трехмерная струйная печать. Заключается в чередовании нанесения слоев порошка и клея. В итоге получается модель из материала, схожего на гипс. Поддерживает многоцветную печать, в качестве порошка применяется резина, пластик, дерево, сахар.
Цветные. К цветным относят следующие методы: FDM, 3DP, EBF, LOM, MJM. Для формирования цветных прототипов нужны аппараты с несколькими экструдерами. Второй метод – сублимация – нагрев красителя в нужных местах до его испарения.

По типу применяемых расходников

В качестве расходников применяется несколько материалов.

Порошки	Печатающая головка наносит на подложку слой клея в нужных местах, валик – слой порошка (металлической пудры), спекаемого с веществом.
Гипс	Предыдущий вариант, где вместо металлического порошка применяют гипс, шпаклевка, цемент обязательно со связующим компаундом.
Полимеры	Жидкие фотополимеры затвердевают под воздействием электромагнитных излучений (метод SLA). Расплавленные пластиковые нити (PLA, PVA, ABS) послойно наносятся на подложку и шустро затвердевают.
Воск	Доступный легко плавящийся материал для получения высококачественных деталей, прост в работе.

По конструкции

Различают несколько конструкций 3D-принтеров.

RepRap. Самовоспроизводящийся аппарат, способен печатать детали, необходимые для производства собственных копий. С минимальными затратами создают 3D-принтеры для массовой эксплуатации. Поставляются как набор металлических комплектующих без пластиковых элементов (их можно напечатать), а порой, и электроники. Требуют много времени для сборки, дешевые.
DIY-kit. Аппараты поставляются в виде конструктора с инструкцией по сборке. Для сборки принтера придется несколько часов или дней потрудиться. Тем более многие соединения «защищены» от неправильного подключения. В качестве расходников применяются пластики, иные полимеры с невысокой температурой плавления. Преимущества: полная комплектация, после сборки сможете устранять часть неполадок самостоятельно. Стоит дешевле, чем собранная модель.
Готовые. Готовые к эксплуатации модели с высоким разрешением и закрытой рабочей камерой. Работают с нейлоном и пластиком. Обойдутся по цене около $1 тыс. и более.
Коммерческие и промышленные. Промышленные аппараты способны печатать металлом, гелями с живыми клетками, полимерами с разными свойствами: усиленная механическая прочность, растворимость в воде. Применяются в производстве, аэрокосмической сфере, ювелирном деле, кулинарии, литье пресс-форм.

Лазерная стереолитография

С нею знакомы все, поскольку она получила широкое распространение в стоматологии (для зубного протезирования). По популярности этот принтер стоит на втором месте.

Его отличительной характеристикой считают непревзойденно высокое качество получаемого объекта, достигаемое благодаря высочайшему разрешению, исчисляемому долями микрона.

Высоко ценят такие лазерные аппараты и ювелиры. Порой функции такого оборудования основаны на более дешевых и высоконадежных ультрафиолетовых проекторах светодиодных. К тому же, и производительность у них выше, поскольку засвечивается контур слоя полностью, а не частично, как с лазером. При этом, на такие 3Д принтеры цена ниже.

Как работает и печатает

Принцип действия

Создание модели

После сборки и настройки (калибровки) необходимо создать печатаемую трехмерную модель в 3D-редакторе.

3D-моделирование. В программе для трехмерного моделирования создается модель. Крупные прототипы, которые не поместятся в камеру принтера, делятся на несколько помельче. Трехмерная модель отправляется в программу-слайсер для формирования G-кода.
G код. Слайсер – приложение для автоматической подготовки цифровой модели в формате STL к печати на 3D-принтере – генерирования G-кода. Слайсер нарезает модель на слои и описывает движения печатающей головки и ее действия, необходимые для формирования прототипа. На основе G-кода печатающая каретка передвигается по заданной траектории, а сопло наносит материал в указанные моменты.

После запуска печати устройство выполняет команды из G-кода.

Этапы создания объектов на 3Д принтерах

Начинается изготовление с разработки виртуального шаблона на компьютере, для чего пользуются специальной программой;
На втором шаге, шаблон обрабатывается программой, разделяющей его на тонкие слои;
Затем, приходит очередь технической части устройства, благодаря чему из композитного порошка создается масса для послойного изготовления нужного объекта;
Масса распределяется по рабочей поверхности осью принтера (по мере того, как ею заполняется камера);
Поочередно формируются слои, на каждый из которых накладывается головкой клеевой слой;
Повторяется процесс до тех пор, пока предмет, заложенный программой, не будет готов.

Технологии, способы реализации, используемые материалы могут быть различными.

Чем печатает: расходные материалы

Основные расходные материалы для трехмерных моделей – пластик и фотополимер.

АБС пластик. Не токсичен, не имеет запаха, обладает высокой ударопрочностью, термостойкостью и эластичностью. Плавится при температуре около 245° C. Продается в виде порошка или цветных нитей. Не переносит прямых солнечных лучей, не позволяет получать прозрачные модели. Растрескивается, расслаивается, острые углы, тонкие выступы деформируются. При работе нужна вентиляция.
ПЛА-пластик. Полилактид – экологически чистый пластик, производимый из остатков кормовых культур: свеклы, кукурузы. Приятно пахнет при расплавлении. Модели со временем разлагаются в теплых помещениях, дорогой, по сравнению с АБС-пластиком. При механическом воздействии сгибается, сжимается, разрушается вследствие падений. При температуре от 600 C теряет форму.
PET. Распространенный полимер, встречающийся в бутылках из-под напитков и воды, пищевых контейнерах. Для 3D-принтеров применяется модификация PETG – пластик чище, менее хрупкий. Впитывает влагу, а потому нуждается в хранении в сухих помещениях. Несмотря на механическую стойкость, легко царапается, противостоит термическим воздействиям.
Нержавейка. Печатает «долгоживущие» изделия, которые противостоят коррозии – статуэтки, узлы механизмов, брелоки. Наряду с нержавейкой применяются алюминий, латунь, медь, бронза. Прототипы нуждаются в постобработке.
Дерево. Дорогой и эстетичный материал, состоящий из полимерной основы с добавкой деревянных волокон (стружки, тирсы) кедра, сосны, березы. Встречаются и экзотические образцы с частицами черешни, кокоса, пробкового дерева, бамбука. Изделия пахнут деревом, после шлифовки практически не отличаются от столярных. Актуально, когда внешний вид важнее точности и цены.
Смолы. Дорогой расходник для получения гладких прочных моделей с высокой детализацией. Используется в многоструйных принтерах (MJP) и принтерах лазерной стереолитографии. Смолы бывают жесткими, эластичными, матовыми, прозрачными, цветными, термостойкими. Под воздействием солнечного света фотополимерная смола теряет прозрачность. Отличаются гладкой поверхностью и простотой постобработки.
Нейлон. Аналог ABS-пластика с повышенной до 320°C температурой плавления, гигроскопичностью и токсичностью. Долго остывает и требует экструдера с шипами. Используется для печати движущихся деталей.

История появления 3D принтера

В 1980 году японец Хидео Кодама, доктор исследовательского института в Нагое, занялся способами послойной объемной печати моделей (прототипированием). В этом году он опубликовал статью «Трехмерное отображение данных путем автоматической подготовки трехмерной модели», описавшей его эксперименты.

В еще одной публикации Кодама представил способ автоматического изготовления трехмерной пластиковой деталей с фотоупрочнением. Практически в публикации был описан принцип действия 3D принтера: использования для получения моделей фотополимеров, применение лазерного излучения для их отверждения, последовательность нанесения слоев. Кодама подал заявление для регистрации изобретения, но патент так и не получил, потеряв, таким образом, право претендовать на первенство в изобретении технологии 3Д печатания.

В 1984 году французские ученые Ален Ле Меают, Оливье Де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на регистрацию системы быстрого прототипирования способом стереолитографии – послойного нанесения отверждаемых лазером полимеров. Заявка была отклонена после ее изучения крупными французскими .

Через две недели американец Чак Халл обратился за патентом на разработанную им систему стереолитографического моделирования, в которой слои добавлялись способом отверждения ультрафиолетовым лазером жидких фотополимеров. Патент был выдан Халлу в 1986 году. Изобретатель учреждает ) по выпуску своих систем. Это и были первые принтеры 3D печатания, выполненные по схеме SLA (от англ. laser stereolithography). Еще одной заслугой Халла стало применение G-кода, позволявшее печатать итоговый продукт заданной формы.

В конце 80-х годов патентуются еще два способа быстрого прототипирования: система селективного лазерного спекания (SLS) американца Карла Декарда и моделирование методом наплавления (FDM), автором которого стал американец Скотт Крамп. Способ SLS заключается в послойном спекании металлического или пластикового порошка под воздействием лазерного излучения по форме будущей детали. При использовании метода FDM разогретый пластик — то, чем печатает 3D принтер – наносится печатной головкой на предыдущий слой.

Приведенные способы являются базовыми, на них основывается большинство технологий объемной печати. Подробнее они будут рассмотрены ниже, а теперь несколько слов о зигзагах технического прогресса.

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

Дело в том, что владельцами патентов на базовые технологии прототипирования стали 3 человека : Чак Халли, Карл Декард и Скотт Крамп. Причем Карл Декард продал свой патент в 2001 году Чаку Халли. Компании, нацеленные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) найти способы договориться с владельцами прав. В связи с этим, длительное время производились в основном дорогие промышленные агрегаты.

Как пользоваться и печатать

Самые трудные моменты в эксплуатации собранного 3D-принтера – его калибровка и создание цифровой копии модели.

Предварительные настройки (список)

До начала работы пользователь должен выполнить ряд подготовительных мероприятий:

Подготовить место, где будет производиться печать.
Заправить устройство расходными материалами.
Подключить принтер к персональному компьютеру или ноутбуку.
Проверить проходимость экструдера.
Выполнить калибровку движения печатающей каретки.
Загрузить модель в программу для печати.

Непосредственно в процессе:

Следить за нагревом подложки и сопла.
Постоянно вести наблюдение за температурным режимом.
Управлять скоростью подачи расходника.
Вовремя проводить замену бобин с пластиком на нить другого цвета или если она закончилась.

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

Но также обратите внимание на такие «моменты»:

Калибровка. Прежде чем запустить печать, калибруется движение печатающего механизма относительно платформы во всех направлениях с учетом расходного материала.
Температура. Задается температура плавления пластика. Необходимо добиться того, чтобы слои пластика не накладывались друг на друга, но и пустого пространства между ними не было. Для этого разработан ряд утилит, применяются пробные модели.
Время создания объекта. Время печати детали зависит от ее габаритов, быстродействия принтера и его точности. Чем выше точность исполнения, тем дольше печатается модель: от нескольких минут до пары часов.

Трехмерная печать плотно вошла в человеческую деятельность. Приобрести принтер или собрать его как сложный конструктор для взрослых смогут многие, как и научиться создавать трехмерные модели. Кто знает, может в скором будущем люди научатся печатать отходами из мебельного производства для экономии экологического материала. Или смогут печатать камни с необычной геометрией для строительства изысканных сооружений по принципу полигональной кладки, которые обнаруживают по всему земному шару.