Аддитивные технологии долго шли в массы: институты и исследовательские центры вплотную занимались ими ещё с 80-х годов, и вот настал момент, когда вы можете прикоснуться к хайтеку и освоить 3D-печать прямо у себя дома. Для этого даже не придётся грабить банк: цены на 3D-принтеры сравнялись со средними смартфонами. Разбираемся, как это работает и какие возможности открываются для мейкеров и DIY-энтузиастов!
Всё для 3D-печати ❯
Зачем нужен 3D-принтер
Принтер весьма пригодится инженерам-самодельщикам. Вам больше не придётся искать универсальный корпус для проекта, а потом сверлить в нём дополнительные отверстия. 30 минут проектирования, несколько часов на печать — и у вас уже готов корпус, который идеально подходит именно под ваше устройство. Сборка из 5 шилдов никуда не влезает? Забудьте о таких проблемах.
Принтер точно поможет в ремонте штуковин по дому. У каждого в жизни случалась ситуация, когда вещь приходилось выбросить, хотя в ней сломалась всего одна пластиковая деталь. С помощью 3D-печати вы сможете легко заменить в приборах редкие пластиковые детали, которые трудно найти отдельно.
Пока вы не научились моделировать пластиковые детали самостоятельно, их можно попросту качать в интернете. Существует множество сайтов с миллионами готовых бесплатных моделей, которыми свободно обмениваются пользователи. Мы посвятили поиску моделей отдельную статью.
3DP
Технология 3DP (Three dimensional printing) или «Струйная трехмерная печать» заключается в следующем: на материал в порошковой форме наносится клей, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так весь цикл печати. Данная технология была изобретена в 1993 году в MIT (Массачусетском технологическом институте). Главными преимуществами этой технологии можно назвать возможность добавлять краску в клей (печать разными цветами), возможность использовать в домашних условиях и для бытовых нужд, можно использовать разные материалы в виде порошка (стекло, резина, бронза, дерево и др). Также стоит отметить, что в данном виде печати нет необходимости для создания дополнительных опор для прототипа. Главными недостатками можно считать то, что на выходе получается достаточно грубая модель (печать до 100 микрон) и что часто требуется дополнительная постобработка получившейся детали. Какие-либо изделия, рассчитанные на сильное механическое воздействие, распечатать методом 3DP не получиться. Основное назначение таких 3D принтеров — это печать сувениров и подарков, макетов, а также, если в качестве связующего элемента использовать пищевой клей, печать сладостей, конфет.
Какие бывают 3D-принтеры
Существует несколько основных видов 3D-принтеров, которые кардинально отличаются между собой по принципу работы.
Технология FDM (Fused Deposition Modeling)
Наиболее распространённый тип — FDM-принтеры с послойным наплавлением пластика. Они работают за счёт подвижной печатной головки с нагревательным элементом. В неё подаётся пластик в виде прутка, который плавится и в жидком виде выдавливается на печатный стол. При этом пластик обдувается вентилятором и мгновенно застывает, а головка начинает выдавливать новый слой поверх застывшего.
Технология SLA (Stereolithography Apparatus)
SLA-принтеры работают на основе стереолитографии: вместо пластика здесь используется специальная фотополимерная смола, которая застывает под воздействием ультрафиолетовых лучей. Для печати смола наполняется в ванночку, снизу которой расположен дисплей с ультрафиолетовыми пикселями. На него в течение нескольких секунд выводится рисунок нижнего слоя модели. При этом смола над дисплеем застывает в виде отображаемого рисунка и затем прилипает на специальный подвижный стол сверху. После этого стол с первым слоем приподнимается, и в смоле происходит полимеризация следующего слоя.
Технология SLS (Selective Laser Sintering)
SLS-принтеры используют технологию выборочного лазерного спекания, для которой применяется специальный пластиковый порошок. В процессе печати насыпается тонкий слой порошка, и принтер обрабатывает его лазером, чтобы слой затвердел в соответствии с моделью. Далее насыпается следующий слой порошка и сплавляется с предыдущим — и так по кругу. В конце остаётся лишь очистить готовую деталь от остатков порошка, которые затем можно использовать повторно.
Сравнение технологий
Каждый тип 3D-принтеров имеет свои преимущества и недостатки.
- SLS-принтеры обладают большими размерами и требуют дорогого сырья. Они часто используются на высокотехнологичных производствах для штучных деталей.
- SLA-принтеры распространены гораздо шире. Ультрафиолетовый дисплей повышает точность, однако работать с токсичной фотополимерной смолой дома затруднительно.
- FDM-принтеры пользуются наибольшей популярностью у хоббистов. Пластиковый пруток стоит гораздо дешевле специального порошка или фотополимерной смолы. Однако, для печати сложной геометрии на таком принтере придётся позаботиться о вспомогательных поддержках. Да и скорость печати в среднем ниже, чем на других технологиях. Зато FDM-принтеры самые простые и безопасные в обслуживании.
Polyjet
Основой этой технологии является следующий принцип: при помощи маленьких сопел фотополимер наносится на какую-либо поверхность и сразу полимеризуется под воздействием УФ излучения. Данная технология печати была разработана израильской компанией Objet в 2000 году, однако теперь она принадлежит компании Stratasys. Отличительными особенностями этого вида 3d принтера является то, что можно использовать широкий диапазон материалов (фотополимерный пластик разного состава, цвета и плотности), использовать небольшую толщину слоя (до 16 микрон — подходит для создания мелких и гладких деталей) и относительно быстро печатать за счет использования жидких материалов. Polyjet — это единственная технология, по крайней мере сегодня, которая позволяет комбинировать сразу несколько материалов в одном прототипе! Но есть и недостатки, главным из которых является тот факт, что можно печатать только с использованием фотополимерного пластика (как правило, фотополимерные пластики очень дорогие). Применяется технология Polyjet в основном в промышленности, медицине и образовании, хотя на сегодняшний день есть и бытовые модели 3d принтеров для различных целей.
Как подготовить печать
Процесс от зарождения идеи до выхода готовой пластиковой детали несложный — школьник справится. Мы разобрали всё по полочкам в руководстве по 3D-печати на примере принтера Flying Bear Ghost 5, а здесь покажем общий принцип.
Исходная модель
Сначала нужно создать или скачать 3D-модель будущей детали. Как правило, исходники хранятся в формате STL, который описывает полигональную структуру модели в виде множества треугольников. Но сразу отправить подобный файл на принтер не удастся: для успешной печати сперва нужно разбить детальную 3D-модель на слои, которые по зубам принтеру.
Слайсинг
Программа для нарезки моделей (слайсер) потребует от вас самую малость — ввести модель вашего принтера и задать настройки печати: толщину слоя, процент внутреннего заполнения детали, вспомогательные опоры и тому подобное. На основе этих данных слайсер автоматически подготовит специальный код для принтера — G-Code, в котором описано, как нужно двигать печатающей головкой, до какой температуры её нагревать и с какой скоростью выдавливать пластик, чтобы слой за слоем получить желаемую модель. Затем остаётся загрузить этот код в 3D-принтер и запастись терпением до конца печати.
Весь процесс подготовки модели наглядно иллюстрируется программой и снабжается интуитивными подсказками для начинающих пользователей. В общем, не так страшен слайсинг, как его малюют!
Обработка
После того, как модель готова, её можно дополнительно обработать шкуркой или химическим раствором. Это сгладит неровности между слоями, и деталь будет выглядеть прямо как заводская. В интернете немало лайфхаков, которые помогут минимизировать изъяны модели и придать ей улучшенный вид.
Расходники для печати
Свойства напечатанной вещи во многом зависят от сырья. Как мы уже говорили, 3D-принтеры FDM используют в качестве расходника пластиковые нити, и у вас есть огромный простор для экспериментов с разными видами пластика.
- PLA-пластик хорошо поддаётся экструзии и позволяет печатать сложные формы при относительно низких рабочих температурах головки от 190 °C. Биоразлагаемость PLA играет на руку экологии, но в то же время, вещи из него получаются не слишком прочные.
- PETG-пластик прочнее, чем PLA, но тоже хорошо подходит для принтеров с нагревом в районе 200 °C. Разновидности пластика PET хорошо знакомы вам по пакетам и пластиковым бутылкам от газировки.
- ABS-пластик обладает более высокой прочностью по сравнению с остальными типами. Однако для качественной печати из пластика ABS вашему принтеру понадобится повышенная температура экструзии порядка 250 °C и подогреваемый до 120 °C стол, поэтому не всякая модель замахивается на его поддержку.
- HIPS-пластик близок по температурным свойствам к ABS, но обладает низкой спекаемостью с ним и легко удаляется органическим растворителем. Благодаря этому пластик HIPS часто применяют для печати составных моделей и опор под модели из ABS.
- Пластик Wood производится с добавлением древесной пыли. Готовые модели из него неплохо имитируют древесину не только своим видом, но и запахом.
Катушки пластика встречаются в продаже на каждом шагу — вам не составит труда выбрать подходящие расходники и комбинировать различные свойства и цвета деталей при печати.
LENS
3D печать в данном случае основана на том, что материал в виде порошка наносится на сфокусированный луч лазера и моментально спекается. По такому принципу слой за слоем выстраивается вся трехмерная модель. Данная технология 3d печати (LENS — LASER ENGINEERED NET SHAPING) используется для создания деталей из металла и поэтому именно она открыла двери 3d принтерам в большую промышленность, что повлияло, собственно, на рост популярности 3d принтеров в целом по всему миру. Эти виды 3d принтеров, по мимо всего прочего, имеют еще одно большое преимущество — порошки можно смешивать и получать различные сплавы уже непосредственно в момент печати (спекания). Наиболее известным производителем оборудования для этого вида печати является компания Optomec.
SLA
Другое название данной технологии — стереолитография. В качестве сырья для таких принтеров используется жидкий фотополимер, который затвердевает под воздействием лазера, ультрафиолетового или инфракрасного излучения. Благодаря этому жидкость становится твердым пластиком. Лазерный луч контролируется с помощью двух зеркал, расположенных друг напротив друга.
Активно используется в медицине, криминалистике, при производстве ювелирных украшений.
Преимущества данного вида данного вида 3d печати:
- высокая точность;
- самое высокое разрешение среди всех технологий полимерной печати;
- гладкая поверхность объекта;
- высокая скорость при работе с единичными небольшими объектами.
Среди недостатков — технология не подходит для работы с большими партиями, скорость сильно снижается. Этой технологии часто учат на обучении 3d-печати https://tech-school.ru/engineering/course-3d-print для новичков.
Критика и проблемы
❌ Медленно и без гарантий: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромная проблема в любительских принтерах — брак. Например, деталь может отклеиться от подложки прямо во время печати, и произойдёт ад. Или моторы раскалибруются, и сопло начнёт промазывать мимо нужных мест.
❌ Низкая эффективность: чтобы напечатать деталь 10 × 10 см, нужен принтер размером как минимум 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.
❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать пока что ограничена пластиками и смолами. Есть отдельные технологии печати на базе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нормальный токарь и станок. Но на станке можно сделать не всякую деталь.
❌ Не всегда понятно зачем. В промышленности 3D-принтеры используют для прототипирования, но в массовом производстве эти технологии не используются. Для домашнего применения тоже неясно: на 3D-принтерах печатают маленькие пластиковые штучки для любительских проектов… и всё. Очень мало случаев, когда обычный человек мог бы захотеть напечатать у себя дома что-то применимое в хозяйстве.
Ламинирование
Метод LOM
LOM (laminated object manufacturing) — печать объектов путем ламинирования. Исходный материал (лист бумаги или тонкого пластика) с клейким покрытием разогретым роликом прикрепляется к поверхности рабочего стола. Лазерным лучом в листе прорезаются контуры сечения будущего изделия. Затем накладывается следующий лист, операция повторяется до завершения постройки объекта.
В ходе печати листы склеиваются друг с другом по всей площади. Лист вокруг изделия режется лазером на мелкие фрагменты для упрощения удаления излишков. Тем не менее, при извлечении готового изделия и отделении лишнего материала требуется особая осторожность.
Метод LOM имеет более низкую точность воспроизведения деталей поверхности изделия, чем методы SLA и SLS. Он позволяет производить достаточно крупногабаритные изделия. По своим физическим характеристикам изделия из бумаги близки к древесине. Это позволяет проводить их механическую обработку. Вообще, объекты, изготовленные данным методом, обычно нуждаются в дополнительной механической обработке.
Достоинством метода является низкая себестоимость. Он используется в науке и образовании для изготовления архитектурных макетов, моделей, экспонатов.
Метод SDL
SDL (Selective Deposition Lamination) — ламинирование методом селективного нанесения (усовершенствованная технология LOM).
3D-печать на обычной офсетной бумаге. Клей на бумажные листы наносится не сплошь, а выборочно. В местах, образующих сечение будущего изделия, наносится клеящий материал более высокой плотности, в остальных (лишний материал и поддерживающие структуры) — более низкой. В ходе печати листы спрессовываются между собой. Получается, что между слоями «внутри» изделия связь более прочная, чем между поддерживающими материалами. К тому же лишний и поддерживающий материал рассекается на мелкие составные части. В целом это сильно облегчает процесс извлечения готового изделия из принтера. Для резки листов используется не лазер, а лезвие из карбида вольфрама.
Метод допускает многоцветную печать и отличается невысокой стоимостью. Можно создавать большие по размерам изделия, соединяя их шарнирами и замками. Готовые изделия требуют обработки для повышения их влагостойкости.
MJM
Аббревиатура MJM расшифровывается как Multi Jet Modeling. Она представляет собой разновидность струйной печати. Объект в этом случае создается послойно, с помощью печатающей головки на нескольких соплах. В качестве сырья используется термопластик, разогретый до воскообразного состояния.
Сфера применения MJM обширна. Струйные принтеры используются на литейных производствах, при создании ювелирных украшений, для производства индивидуальных медицинских протезов, а также для создания миниатюрных прототипов.
Преимущества технологии:
- высокая точность;
- возможность работы с большим количеством разных материалов;
- возможность создавать цветные объекты;
- высокое качество печати.
Среди недостатков — при проектировании изделия сложной формы с выступами необходимо продумать поддерживающие элементы для него.
Фотополимеризация
Метод DLP
DLP (Digital Light Processing, Direct Light Projection) — печать изделий путем полимеризации фотополимерных смол при ультрафиолетовом облучении. Метод основан на свойстве фотополимерных смол затвердевать при ультрафиолетовом облучении. Подвижный рабочий стол 3D-принтера погружается в емкость с жидкой смолой. На фотополимер направляется поток света из ультрафиолетового DLP-проектора. Конфигурация светового потока определяется зеркалом или линзой и соответствует форме слоя изделия. Тончайший слой смолы под воздействием света затвердевает (полимеризуется). После построения одного слоя рабочий стол перемещается на высоту, равную толщине этого слоя. Затем на уже твердеющем слое формируется следующий слой. Процесс повторяется до готовности изделия. В дальнейшем его подвергают финальной засветке УФ-лампой для полного отверждения.
Метод DLP отличается высокой скоростью и точностью построения изделий сложной формы. Он намного быстрее давно известного метода SLA, также работающего по технологии фотополимеризации. DLP-принтеры доступны по цене, и этот метод пользуется все большей популярностью как у любителей, так и в профессиональной среде.
Метода применяется в стоматологии, ювелирном деле, производстве прототипов, деталей и сувениров.
Метод LCD
LCD (Liquid Crystal Display) — печать изделий путем полимеризации фотополимерных смол при ультрафиолетовом облучении. Технология процесса идентична методу DLP. Разница в том, что поток УФ-излучения здесь генерируется светодиодной матрицей, а его конфигурация, соответствующая форме слоя изделия, определяется LCD-дисплеем.
Метод LCD также отличается высокой скоростью построения изделий сложной формы. Он точнее метода DLP и намного быстрее метода SLA. Среди этих трех методов LCD-печать наиболее доступна по цене, и потому стремительно развивается, завоевывая позиции в стоматологии, ювелирном деле, производстве прототипов, деталей и сувениров.
Метод SLA
SLA (Laser Stereolithography) — получение изделий путем лазерного облучения фотополимерной смолы. Источником облучения служит ультрафиолетовый лазер. Его узкий луч направляется на фотополимер и как бы «сканирует» слой изделия согласно цифровой модели. В точках фокусировки луча смола затвердевает (полимеризуется). После построения одного слоя рабочий стол перемещается на высоту, равную толщине этого слоя. Затем на уже твердеющем слое лазерным лучом формируется следующий слой. Процесс повторяется до готовности изделия. В дальнейшем его поверхность можно механически обрабатывать и окрашивать.
Метод SLA отличается очень высокой точностью и позволяет печатать изделия сложной формы. Недостаток метода — относительно медленное сканирование лазером слоя фотополимера. В этом он существенно уступает методам DLP и LCD. Но при этом SLA обеспечивает очень высокое качество поверхности изделия. Поэтому он широко используется для изготовления прототипов деталей, стоматологических и прочих протезов, ювелирных изделий.
Метод GDP
GDP (Gel Dispensed Printing) — метод 3D-печати, объединивший преимущества методов FDM (печать послойным наплавлением) и DLP (фотополимеризация). Рабочим материалом служит уникальный фотополимерный акриловый гель Dimengel, обладающий высокой степенью вязкости. Печатающая головка экструдирует на рабочий стол тонкий слой геля. Он практически мгновенно затвердевает под воздействием УФ-излучения мощных ламп, расположенных в одном блоке с головкой. Наслаивание и отверждение материала происходит с очень высокой скоростью. Поэтому при GDP-печати не нужна поддержка горизонтальных поверхностей, в которой нуждаются другие методы. GDP-принтер позволяет сразу печатать наклонные и даже горизонтальные поверхности без расходования геля на печать поддерживающих структур. Это обеспечивает экономию материала и рекордно высокую скорость печати.
GDP-принтер оснащен двумя независимыми печатающими головками. Поэтому в рабочей камере можно одновременно печатать два разных изделия или две части одного крупного объекта. С учетом большого объема области печати (1200×1500×1800 мм) GDP-печать позволяет создавать фигуры размером свыше 3 метров при склейке их из нескольких частей. Готовые изделия прекрасно поддаются шлифовке и окрашиванию.
Метод разработан совсем недавно, но уже показал свою эффективность в таких областях, как изготовление уникальных выставочных экспонатов и образцов, декораций, манекенов, скульптур, различных рекламных материалов, прототипов и мастер-моделей.
