3д принтинг что такое. d принтер: применение в области строительства

Принтеры для трехмерной печати или 3D-принтеры – это устройства для изготовления объемных моделей. Аппараты узкой специализации обладают безграничными возможностями и сегодня используются в каждой сфере жизни современного человека. Несколько лет назад 3D-принтеры стали доступны и для домашнего использования, попутно охватив часть малого бизнеса.

История создания подобной техники зародилась еще в середине 80-х годов прошлого столетия, но слабое развитие компьютерных технологий «заморозило» активное внедрение трехмерной печати в быт и производство.

Ощутимый старт 3Д-принтеры получили только в 2005 году, наряду с совершенствованием компьютерных возможностей. Тогда публике был представлен первый трехмерный принтер, который печатал в цвете . Впоследствии техника претерпела немало изменений, было разработано современное программное обеспечение для управления процессом печати. В результате пользователям стал доступен функциональный агрегат, способный «печатать» чехлы для телефонов или новые 3D-принтеры.

Первый 3D принтер

Как это работает

Общий принцип работы трехмерного принтера в теории прост и понятен. В программе для 3D-моделирования создается объект или его часть (крупные модели делят на несколько элементов). Затем файл отправляется для обработки специализированной программой (для формирования G-кода), после чего в дело вступает техника. G-код делит цифровую модель на сотни горизонтальных дорожек, задавая траекторию печатающей каретке. На основание слой за слоем наносится расплавленный материал, создавая вполне осязаемый объект.

Схематическое изображение 3D-принтера

Всего существует семь основных технологий, используемых для трехмерной печати, но большая их часть нашла применение только в промышленных целях. Для любительской «пластиковой печати» и малого бизнеса разработаны относительно компактные и недорогие аппараты.

• Технология Fused Deposition Modeling (иначе FDM-принтеры) получила самое массовое распространение для трехмерного моделирования и кулинарии. Материал разогревается и подается на платформу через сопло печатающей головки. Объект «вырастает» на плоскости, а его размеры ограничены параметрами платформы.

• Технология Polyjet разработана в 2000 году и сегодня принадлежит компании Stratasys. Создание трехмерных объектов производится посредством полимеризации фотополимера под действием УФ излучения. Фотополимер – дорогой и хрупкий пластик, потому в быту такие принтеры практически не используют, но благодаря точной детализации моделирования аппараты применяют в медицине и промышленности (для создания прототипов).

Все о том, как работают современные принтеры для трехмерной «пластиковой печати» можно узнать из тематического видео, например, этого . Также в них часто демонстрируют, как аппарат работает с различными материалами для изготовления объекта.

Управление процессом печати

Как правило, пользователю нужно произвести ряд настроек непосредственно перед началом печати.

1. Подключение оборудования к ПК осуществляется через USB-кабель.
2. Калибровка перемещения сопла относительно платформы.
3. Настройка и управление нагревом платформы и сопла-дозатора.
4. Мониторинг соотношения температур.
5. Управление процессом печати (экструдером) – настройка скорости подачи материала, замена бобин пластика.

Контроль над печатью осуществляется через ПК. Для создания объекта от идеи до результата пользователю необходимы специальные программы для трехмерного моделирования и управления аппаратом.

Современные технологии пока не позволяют создать принтер, где все операции проводятся путем нажатия пары клавиш, потому необходимо освоить немало специфических программ и основы моделирования.

Перед запуском печати оператор калибрует принтер, настраивая его относительно стола-платформы. Базовая прошивка принтера представляет собой ряд настроек по умолчанию, а пользователь производит более точные настройки, в зависимости от используемого материала. Так, для создания объемных элементов на основе ABS или PLA задается разная температура плавления. В процессе печати, оператор через ПО следит за работой. Весь процесс создания модели может занимать от нескольких часов до суток, здесь ключевым фактором является точность исполнения: точные объекты с детальной прорисовкой производятся дольше, чем более грубые.

Где можно применить 3D-принтер

Область применения 3D-принтеров довольно широка: от любительских поделок до бизнеса. Предприниматели наряду со студентами архитектурных отделений первыми заметили огромный потенциал «пластиковой печати».

Также объемное моделирование используют в ювелирной промышленности и всех сферах дизайна и проектирования.

Если ранее печать осуществлялась пластиком, то сегодня разнообразие материалов впечатляет. Производители изготавливают различные основания, например, имитирующие натуральное дерево. Кроме того, в качестве материала для печати можно выбрать не только полимеры, но и нейлон. Эту идею очень быстро подхватили дизайнеры и создали целые коллекции одежды .

Азартные коллекционеры сполна оценят потенциал «пластиковой печати», ведь теперь есть возможность воссоздать любой объект: модели самолетов, знаменитых персонажей, предметов искусства. Редкие коллекционные экземпляры могут стоить довольно дорого, как очень хороший принтер для дома, и здесь выбор очевиден.

Брать или не брать: достоинства и недостатки оборудования

Использование объемной печати предоставляет пользователям обширные возможности. Ключевое преимущество техники – воспроизведение любого трехмерного объекта, и исключений здесь практически нет. Все, что может быть изготовлено из пластика, можно «напечатать», будь то дорогой в оригинале бампер от иномарки или проект будущего торгового центра на выставке архитекторов. Решающим фактором станет размер оборудования, а выражаясь точнее – размер его рабочего стола.

Потенциал «пластиковой печати» усложнен трудоемким процессом подготовки и управления, требующим узкоспециализированных знаний. Неопытный пользователь не всегда сможет спроектировать в 3D-MAX даже простую геометрическую фигуру, не говоря о собственном портрете. Чтобы пользоваться техникой, ее необходимо освоить, а этой займет некоторое время.

Второй недостаток 3D-принтера – его габариты . В продаже доступны и компактные модели, но их предельные размеры печати слишком скромны, хотя вполне подойдут для поэтапного изготовления инсталляций или архитектурных проектов.

Конечно, в качестве игрушки приобретать 3D-принтер нерационально, средняя стоимость моделей дешевого сегмента превышает 30 000 рублей. Покупка будет выгодна, если оборудование будет выполнять определенную задачу: приносить прибыль, развивать навыки, получать образование, заниматься творчеством, помогать в работе.

В ближайшем будущем можно ожидать новых разработок в этой области. Сегодня уже можно напечатать настоящий жилой дом из обычной строительной смеси. Естественно, такое оборудование недоступно для бытового использования, но сам факт применения новых материалов для печати обещает методичное расширение возможностей объемной печати в домашних условиях.

Сегодня смело можно утверждать: без технологии 3D-печати современную цивилизацию представить невозможно, и вряд ли можно назвать другую так стремительно развивающуюся технологию.

По страницам истории

По мнению многих компьютерных экспертов, родоначальником 3D-печати и разработчиком первого еще обычного принтера стал англичанин Бэббидж. В 1822 году он приступил к созданию так называемой «большой разностной машины», предназначенной для производства расчетов и их распечатки. Как все великое, идеи Бэббиджа намного опередили свое время и, спустя 20 лет, так и не реализованный, проект был закрыт.

Большая разностная машина Бэббиджа

Прошло более 100 лет, прежде чем была предпринята вторая на сей раз более удачная попытка создания принтера. Первый черно-белый принтер увидел свет в 1953 году. Минуло еще 23 года и компания IBM создает первый струйный цветной принтер. Сегодня количество принтеров в офисах и других организациях уступает разве что числу компьютеров.

Во второй половине 80-х годов происходит очередной технологический прорыв. В 1986 году американец Чек Халл сформулировал концепцию трехмерной печати, а через два года его соотечественник Скот Крамп на ее основе разработал технологию FDM — формования через декомпозицию плавящегося материала. Все ныне действующие трехмерные принтеры своим появлением обязаны именно ей.

Как работает 3D-принтер

По сравнению с печатным принтером, переносящим электронный текст на плоскую бумагу, 3D-принтер имеет дело с трехмерной информацией. Одним словом, он воссоздает объект таким, какой он есть.

Как же печатает 3D-принтер? Вначале создается цифровая модель объекта на компьютере с помощью специальной программы. Она как бы «расчленяет» модель на слои, после чего в действие вступает принтер. Как и у его печатающего «собрата», у 3D-принтера есть свои чернила, правда, состоящие из композитного порошка.

Около 10 лет назад использовался всего лишь один вид «чернил» — пластик АВС. Сегодня их уже более сотни – полипропилен, бетон, целлюлоза, нейлон, металлические порошки, гипс, шоколад и множество других.

В процессе работы исходный материал превращается в массу, которая наносится слой за слоем на рабочую поверхность через специальное сопло. После нанесения очередного слоя поверх него может накладываться клеевое покрытие, затем снова слой «чернил». И так до полного воспроизводства объекта. Работу 3D-принтер можно посмотреть на видео.

Но это общий принцип работы 3D-принтера, так называемая технология быстрого прототипирования. На ее основе разработано несколько способов. Вот лишь некоторые из них.

Стереолитография (SLA)

Одна из первых технологий 3D-печати. В качестве строительного материала используется смесь жидкого полимера с реагентом-отвердителем, чем-то похожая на эпоксидную смолу. Полимеризация и последующее отвердение смеси происходит под действием ультрафиолетового лазера.

Модель формируется тонкими слоями на подвижной подложке с отверстиями, прикрепленной к микролифту-элеватору, который перемещается вверх или вниз на глубину одного слоя. Во время погружения в жидкий полимер луч лазера фиксируется на местах, подлежащих отвердению. Как только один слой сформирован, заготовка поднимется (опускается).

Данная технология разработана в компании 3D Systems. Она имеет очень много общего с технологией струйной печати. Особенность устройства и принцип работы этого 3D-принтера состоит в том, что здесь задействовано несколько (до нескольких сот) сопел, расположенных рядами на печатающей головке.

Чернила становятся жидкими посредством нагревания и после послойного нанесения на рабочую поверхность при комнатной температуре застывают. Головка перемещается в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение по мере формирования каждого нового слоя осуществляется за счет опускания рабочего стола.

Выборочное лазерное спекание (SLS)

Настоящим прорывом стало внедрение технологий 3D-печати в металлообработку. Как же работает ? Особенностью этой технологии является то, что функцию рабочей жидкости выполняет композитный порошок, состоящий из частиц диаметром от 50 до 100 мкм. Порошок наносится горизонтально равномерными тонкими слоями, а на завершающем этапе определенные участки спекаются лазерным лучом.

Одно из главных достоинств лазерного спекания – уникальная экономичность и практически полная безотходность по сравнению с традиционными механическими методами обработки металла – сверлением, фрезеровкой, резанием, литьем и другими, а также минимальная финишная обработка.

Необходимое условие лазерного спекания – азотная среда с минимальным содержанием кислорода, поскольку процесс протекает в условиях высоких температур.

Этим перечень технологий 3D-печати далеко не ограничивается. Его дополняют послойное склеивание пленок, послойное наплавление, послойная печать расплавленной полимерной нитью, ультрафиолетовое облучение через фотомаску.

Что бы еще напечатать

Выяснив, как работает 3D-принтер, впору поведать о том, что сегодня можно сделать с его помощью. Подобно модной и очень удобной одежде, его «примеряют» на себя представители самых различных направлений науки и промышленности. Как оказалось, напечатать можно практически все от ширпотреба из пластика, до солнечных батарей, деталей для реактивных двигателей и медицинских протезов.

На технологию 3D-печати «положили глаз» военные и строители. Не так давно на борт МКС был доставлен разработанный по заказу NASA 3D-принтер, с помощью которого в условиях невесомости было изготовлено несколько необходимых инструментов. Вполне возможно, что таким образом во время будущей марсианской миссии отдельные запчасти придется изготавливать прямо на борту космического корабля.

Рассматривается также вариант возведения марсианских домов методом 3D-печати, для чего с Земли туда будут доставлены специальные строительные принтеры. Основой «чернил» для них станет марсианский грунт.

С начала нового тысячелетия понятие «3D» прочно вошло в нашу повседневную жизнь. В первую очередь, мы связываем его с киноискусством, фотографией или мультипликацией. Но едва ли сейчас найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о такой новинке, как 3D-печать.

Что же это такое и какие новые возможности в творчестве, науке, технике и повседневной жизни несут нам технологии трехмерной печати, мы и попытаемся разобраться в статье, приведенной ниже.

Но сначала немного истории. Хоть и много стали говорить о 3D печати только последние несколько лет, на самом деле эта технология существует уже достаточно давно. В 1984 году компания Charles Hull разработала технологию трёхмерной печати для воспроизведения объектов с использованием цифровых данных, а двумя годами позже дала название и запатентовала технику стереолитографии.

Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D принтер. Впоследствии эстафету приняла компания 3D Systems, разработавшая в 1988 году модель принтера для 3Д печати в домашних условиях SLA – 250.

В том же году компанией Scott Grump было изобретено моделирование плавлеными осаждениями. После нескольких лет относительного затишья, в 1991 году компания Helisys разрабатывает и выпускает на рынок технологию для производства многослойных объектов, а через год, в 1992, в компании DTM выходит в свет первая система селективного лазерного спаивания.

Затем, в 1993 году основывается компания Solidscape, которая и приступает уже к серийному производству принтеров на струйной основе, которые способны производить небольшие детали с идеальной поверхностью, причём при относительно небольших затратах.

Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D принтеров. Но, пожалуй, пик развития и популярности 3D печати всё же пришёлся на новый, 21 век.

В 2005 году появился первый , способный печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.

В настоящее время круг возможностей и сфер применения 3Д печати постоянно растёт. Этим технологиям оказалось подвластно всё — от кровеносных сосудов до коралловых рифов и мебели. Впрочем, о сферах применения данных технологий мы поговорим чуть позже.

Итак, что же представляет из себя печать на 3d принтере?

Вкратце — это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.

Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.

Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Как работает 3D принтер?

Применение трехмерной печати – это серьезная альтернатива традиционным методам прототипирования и мелкосерийному производству. Трёхмерный, или 3д-принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты.

На данный момент оборудование данного класса может работать с фотополимерными смолами, различными видами пластиковой нити, керамическим порошком и металлоглиной.

Что такое 3d принтер?

В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.

Например, для создания или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени — от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы — чертежи и схемы будущего изделия, которые всё равно не дают полного видения окончательного результата.

В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства.

3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов.

При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.

Что такое 3d принтер: видео

Существуют различные технологии трёхмерной печати. Разница между ними заключается в способе наложения слоёв изделия. Рассмотрим основные из них.

Наиболее распространенными являются SLS (селективное лазерное сплетение), НРМ (наложение слоев расплавленных материалов) и SLA (стереолитиография).

Наиболее широкое распространение благодаря высокой скорости построения объектов получила технология стереолитографии или SLA.

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. На середину 2019 года можно приобрести фотополимерный 3d-принтер хорошего качества примерно за 30 000 рублей.

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 . 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.

EBM 3d принтер: как работает

Примечательно, что данный принцип также используется при работе с SLS принтерами. Но в отличие от них, EBM-аппараты генерируют для плавки металлоглины направленные электронные импульсы вместо лазерного луча. Нужно сказать, что данный метод обеспечивает высокое качество печати и отличную прорисовку мелких деталей.

На сегодняшний день продаются только промышленные принтеры, использующие EBM технологию. Вот как выглядит один из них:

На видео, представленном ниже, наглядно продемонстрированы возможности 3d принтера, приспособленного для электронно-лучевой плавки:

Технология НРМ (FDM) HPM

Даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, использующая термопластики производственного класса, обеспечивающие не имеющую аналогов механическую, термическую и химическую прочность деталей.

Печать по технологии НРМ выгодно отличается чистотой, простотой использования и пригодностью для применения в офисе. Детали из термопластика устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде.

Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами. 3D-принтеры, действующие по технологии НРМ, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями.

Для печати по технологии НРМ используется два различных материала — из одного (основного) будет состоять готовая деталь, и вспомогательного, который используется для поддержки. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой.

Когда 3D-принтер завершит создание детали, остаётся отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию.

Интересно, что в наши дни популярностью пользуются не только автоматические настольные HPM принтеры, но и приспособления для ручной печати. Причем, правильно было бы назвать их не печатными устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов.

Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры, использующие технологию послойного наплавления. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной консистенции и тут же выдавливается через миниатюрное сопло! При должной сноровке получаются вот такие оригинальные декоративные фигурки:

Ну и конечно, так же, как и технологии, отличаются друг от друга и сами принтеры. Если у вас принтер, работающий по SLA, то технологию SLS на нём применить будет невозможно, т. е. каждый принтер создан только под определённую технологию печати.

Цветная 3D-печать

Данная технология единственная в своем роде, которая позволяет получать объекты во всем доступном диапазоне оттенков. Примечательно, что окрашивание изделий происходит непосредственно во время их изготовления. С ее помощью получаются фотореалистичные объекты. Это и вызывает неподдельный интерес к ней со стороны дизайнеров.

Зачастую в качестве исходного материала применяют порошок, созданный на основе гипса. Щетки и ролики формируют не очень толстый слой расходника. Дальше с помощью подвижной головки на необходимые участки наносятся микрокапли клееобразного вещества (перед этим его окрашивают в нужный цвет). Оно напоминает по своему составу цианокрилат. Послойно создается готовый разноцветный объект. Финальная обработка изделия цианоакрилатом обеспечивает ему блеск и жесткость.

Промышленные и настольные цветные 3D-принтеры

Современный рынок предлагает различные многоцветные 3D-принтеры. С их помощью создаются разноцветные объекты в домашних условиях. Большинство агрегатов предназначено для профессионального использования.

Профессиональная цветная печать на 3D-принтере осуществляется с помощью:

1. Линейки Zрrintеr от известной торговой марки 3D Sуstems. Эти устройства могут создавать габаритные разноцветные объекты. Снабжаются 5-ю картриджами и системой автоматической загрузки порошка. Техника практически на 100% автоматизирована, поэтому настройка или контроль процесса печати не обязателен. Весят модели около 340 килограмм. Стоимость в пределах 90-130 тысяч долларов.

2. Полноцветный 3D-принтер Мсor Iris. Разноцветные изделия создаются путем склеивания отдельных бумажных клочков. Данный агрегат от Мсоr Тесhnologies Ltd создает объемные фотореалистичные модели с неплохими показателями прочности. Может генерировать до миллиона цветов. Стоит 15 тысяч долларов.

Настольные модели для домашнего использования:

1. Цветной 3D-принтер 3D Тоuch. Данный агрегат работает по технологии FDМ. Модель может снабжаться одной, двумя или даже тремя экструзионными головками. Работает с АВS или РLА-пластиком. Весит ни много ни мало 38 килограмм. Стоимость – около 4 тысяч долларов.

2. 3D-принтер трехцветный ВFB 3000 РАNTHER – первый цветной принтер, который был выпущен на рынок. Сегодня его стоимость составляет около 2,5 тысяч долларов. В качестве рабочего материала применяется стандартная пластиковая нить. Для работы понадобится нить трех цветов.

3. Одна из самых дешевых моделей – РroDеsk3D. Для создания изделий используется система из пяти картриджей. Возможна работа с РLA или АВS-пластиком. Принтер снабжен системой автоматической настройки. Стоит всего 2 тысячи долларов. К сожалению, не может похвастаться высокими показателями разрешения печати.

Области применения 3D печати

3D печать открыла большие возможности для экспериментов в таких сферах как архитектура, строительство, медицина, образование, моделирование одежды, мелкосерийное производство, ювелирное дело, и даже в пищевой промышленности.

В архитектуре, например, 3D печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой — скверами, парками, дорогами и уличным освещением.

Благодаря используемому при этом дешёвому гипсовому композиту обеспечивается низкая себестоимость готовых моделей. А более 390 тысяч оттенков CMYK позволяют в цвете воплотить любую, даже самую смелую фантазию архитектора.

3d принтер: применение в области строительства

В строительстве есть все основания предполагать, что в недалёком будущем намного ускорится и упростится процесс возведения зданий. Калифорнийскими инженерами создана система 3D печати для крупногабаритных объектов. Она работает по принципу строительного крана, возводящего стены из слоёв бетона.

Такой принтер может возвести двухэтажный дом всего в течение 20 часов.

После чего рабочим останется лишь провести отделочные работы. 3D House Постепенно завоёвывают прочные позиции 3D принтеры и в мелкосерийном производстве.

В основном эти технологии используются для производства эксклюзивных изделий, таких как предметы искусства, фигурки персонажей для ролевых игр, прототипов моделей будущих товаров или каких-либо конструктивных деталей.

В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций.

Всё большее применение находят 3D принтеры в области протезирования в стоматологии, так как эти технологии позволяют намного быстрее получить протезы, чем при традиционном изготовлении.

Не так давно немецкими учёными была разработана технология получения человеческой кожи. При её изготовлении используется гель, полученный из клеток донора. А в 2011 году учёным удалось воспроизвести живую человеческую почку.

Как видим, возможности, которые открывает 3D печать практически во всех сферах деятельности человека поистине безграничны.

Принтеры, создающие кулинарные шедевры, воспроизводящие протезы и органы человека, игрушки и наглядные пособия, одежду и обувь — уже не плод воображения писателей — фантастов, а реалии современной жизни.

А какие ещё горизонты откроются перед человечеством в ближайшие годы, наверное, это может быть ограничено только фантазией самого человека.

Практически все персональные 3D-принтеры используют один и тот же подход к процессу 3D-печати. Детали могут различаться, но в основном, строение и принцип работы одни и те же. Давайте рассмотрим принцип работы 3D-принтера более подробно на основании примера с рисунка ниже.

Картезианский робот

Основная идея 3D-принтера — такая же, как и у картезианского робота. Это машина, которая может двигаться линейно в трех измерениях — по осям X, Y и Z, так же известные как картезианские координаты. Чтобы это делать, 3D-принтеры имеют небольшие шаговые двигатели, которые могут двигаться с высокими точностью и аккуратностью — обычно на 1,8 градуса на шаг. Эти “трехмерные” роботы управляются контроллером, как и любая другая автоматизированная система, и тем самым имеется возможность перемещать печатающую головку, выдавлювающую расплавленный пластик, создавая деталь слой за слоем. Многие 3D-принтеры используют ремни ГРМ и ролики по осям Х и Y для обеспечения быстрого, но точного перемещения. Также многие используют стержень с резьбой или особые винты по оси Z для еще более точного позиционирования.

Хотя все это и может звучать сложно, на самом деле это совсем не так, и многие 3D-принтеры содержат в себе стандартные элементы, которые используются в большом количестве других отраслей и устройств. Конечно, прошли годы, чтобы проверить, что действительно работает, а что нет, чтобы получить такие выдающиеся результаты работ 3D-принтеров, какие мы имеем сейчас. Благодаря большим количествам открытых технологий, разработчики могли делиться друг с другом, что облегчало процесс создания и обмена знаниями.

Экструдер

Имея возможность точного позиционирования, нам нужен экструдер, который мог бы «выдавливать» тонкие нити термопластика — пластика, который переходит в полужидкую форму при нагревании. Экструдер, самая сложная часть 3D-принтера, которая до сих пор постоянно улучшается и дорабатывается, на самом деле состоит из двух элементов — привод самой нити и термальная головка.

Привод нити выталкивает пластиковую нить, которая зачастую скручена в катушку, и имеет диаметр 1,75 или 3 мм, с помощью редукторного механизма. Большинство, если уже не все, современные проводы используют шаговый механизм для лучшего контроля подачи нити к термальной головке. Эти приводы обычно работают с помощью редукторов, чтобы придать системе подачи пластика необходимую для выдавливания нити силу.

Нить после подачи приводом в экструдер дальше переходит в термальную головку (иногда называется термальной камерой). Головка обычно термально изолирована от остальных частей экструдера и изготавливается из куска алюминия со встроенным нагревателем или каким-то другим источником тепла. Обязательно имеется датчик температуры для контроля нагрева. Когда пластик достигает термальной головки, он уже разогрет до температуры 170-220 градусов Цельсия в зависимости от типа пластика. Уже находясь в полужидком состоянии, пластик выдавливается из печатающей головки, диаметр отверстия которой обычно находится в диапазоне от 0,35 до 0,5 мм.

Поверхность печати (платформа)

Поверхность печати — это рабочая поверхность, на которой и готовятся 3D-детали. Размер рабочей поверхности варьируется в зависимости от модели принтера, и обычно находится в диапазоне от 100 до 200 квадратных миллиметров. Большинство, если не все, производители 3D-принтеров предлагают подогреваемую платформу — уже в комплекте либо как дополнительную опцию. В крайнем случае, крайне просто сделать подогреваемую платформу самому из подручного материала. Задача платформы — не допустить разрывов или трещин модели, а также обеспечить надежное сцепление между первыми слоями печатаемой детали и рабочей поверхностью.

Поверхность платформы обычно производится из стекла или алюминия для лучшего распределения тепла по рабочей платформе для обеспечения гладкой и ровной поверхности. Стекло дает более ровную поверхность, в то время как алюминий лучше распределяет тепло в случае подогреваемой платформы. Чтобы предотвратить от того случая, когда печатаемая модель слетает во время процесса создания, поверхность часто покрывается какой-либо клейкой поверхностью или пленкой, и создается поверхность, которую будет недорого менять в случае необходимости. Такие материалы часто состоят из каптоны или полиимидной ленты, пэта или полиэстерной кремниевой ленты, все зависит от типа пластика.

Линейный двигатель

Тип линейного двигателя (привода), который используется на конкретном 3D-принтере, во многом определяет то, насколько точно будет печатать устройство, насколько быстро, а также насколько часто и много надо будет обслуживать 3D-принтер. Многие 3D-принтеры используют гладкие, точные стержни для каждой оси, а также пластиковые или бронзовые шариковые подшипники для движения по каждому стержню. Линейные шариковые подшипники снискали большую популярность за счет за счет своей долговечности и более качественной работы, однако они часто более шумные, чем бронзовые, которые, однако, сложнее откалибровать на момент сборки.

Лучший выбор линейного привода для 3D-принтера зависит от Ваших предпочтений так же, как и выбор личного автомобиля. Можно использовать втулки, распечатанные на 3D-принтере, как это показано на рисунке выше, но это будет не очень долговечное решение. Изготовленные стандартным способом пластиковые втулки очень хорошо и гладко работают, но имеют тенденцию к деформации после длительного объема работы. С другой стороны, качество предвидения также зависит от качества и гладкости рельс, по которым они передвигаются. С разными результатами были опробованы и более экзотические материалы, такие как войлок.

Фиксаторы

Диапазон движения линейных приводов обычно ограничен механическим или оптическим фиксатором. Грубо говоря, это просто ограничители, которые подают принтеру сигнал, что он подошел к краю рабочей поверхности, чтобы предотвратить выход за рамки платформы.

Хотя наличие фиксаторов и не является обязательным в работе 3D-принтеров, наличие его позволит делать принтеру калибровку положения перед началом каждого процесса печати, что позволит сделать печать более аккуратной и точной.

Рама

То, что держит все выше описанные элементы вместе, называется рамой. Форма рам, а также материал, из которого она изготовлена, очень сильно влияют на точность и качество печати. Во многих 3D-принтерах используются резьбовые стержни и другие материалы в конструкции рамы. Также многие принтеры используются созданные лазерной резкой фанерные листы для создания рамы.

Такая система базируется на принципе слотов, когда одна часть имеет слот для соединения с другой частью, и вместе они соединяются болтами и гайками. Такую раму обычно проще собрать, и она является более точной для калибровки принтера, однако обычно такая конструкция более шумная, а также со временем крепежные элементы придется подкручивать. В общем, резьбовые стержни делают аппарат более тихим, однако усложняют процесс сборки и калибровки.

В общем, выше описаны основная структура и принцип работы 3D-принтеры. Для примера мы взяли самые простые 3D-принтеры. Конечно, компании давно используют более сложные и современные разработки, многие из которых носят конфиденциальный характер. Такая простая модель была выбрана лишь для цели демонстрации структуры 3D-принтера. Надеемся, нам удалось дать Вам понимание основ работы 3D-принтеров, и теперь, когда устройства уже не кажутся Вам такими сложными, Вы можете задумать о том, чтобы купить 3D-принтер, цена на которые в нашем магазине начинается всего лишь с 44 900 рублей.

Появление на рынке 3D-принтеров ознаменовало новую эпоху. Если раньше продукция, разработанная на базе высоких технологий, в бытовом хозяйстве позволяла решать привычные задачи, то в случае с трехмерной печатью предлагается новый способ применения устройств. Разумеется, новым он является только для рядового пользователя, так как в промышленности и на производственных предприятиях схожие технологии используются давно. Но в любом случае печать на 3D-принтере значительно расширяет возможности потребителя, к освоению которых, как показывает практика, готовы далеко не все. Во многом это связано со сложностью технологической реализации аппаратов, а также с нюансами их эксплуатации.

Но самые интересные вопросы касаются пользы от таких принтеров. Какие изделия позволяет создавать данное устройство? Для каких целей его продукцию можно использовать? И как работает 3D-принтер? Это важные вопросы, так как трехмерная печать все же является недешевым удовольствием. Поэтому приобретать соответствующее оборудование ради любопытства, мягко говоря, нецелесообразно. По крайней мере, стоит детальнее вникнуть в рабочие процессы печати и выяснить, какую пользу от них можно ожидать.

Что такое 3D-принтер?

Это устройство для трехмерной печати, посредством которого можно генерировать объемные предметы, дублирующие заранее подготовленную виртуальную модель объекта. По сравнению с традиционными принтерами, которые выводят электронный текст на бумагу, 3D-устройства обеспечивают вывод трехмерной информации, то есть создают объекты с реальными физическими параметрами. Собственно, для понимания того, как работает 3D-принтер, следует рассмотреть этапы изготовления твердых предметов с его помощью.

Принцип работы в общих чертах

Начинается работа с создания виртуального шаблона на компьютере с помощью специальной программы. Далее происходит обработка программным способом модели с целью ее разделения на слои. После этого в работу вступает техническая часть принтера, послойно формируя массу из композитного порошка для дальнейшего изготовления предмета. По мере заполнения специальной камеры материалом ось принтера распределяет массу по рабочей поверхности. После формирования каждого слоя головка устройства накладывает клеевую основу. Повторяется этот процесс до момента, пока не будет выполнен объект, разработанный в программе для печати. Важно учитывать, что изготовление на 3D-принтере может выполняться по разным технологиям. Соответственно, меняется и и свойства используемого материала, а также подходы к программной реализации задачи.

Технология быстрого прототипирования

Несмотря на различия в нюансах процесса изготовления, практически все устройства для трехмерной печати работают на принципе быстрого прототипирования. В соответствии с данной концепцией, производство осуществляется путем быстрого формирования опытных моделей для предварительной демонстрации возможностей будущего продукта. Задумывалась технология еще в 1980-х годах с целью создания образцов и заготовок. Сегодня этот метод известен как понимание которого и даст ответ на вопрос о том, как работает 3D-принтер и что отличает его функцию от традиционных подходов к изготовлению предметов. Так, если в процессе фрезерования, точения и происходит удаление материала, а ковка, прессовка и штамповка изменяют форму заготовки, то аддитивное производство предполагает увеличение массы материала посредством наращивания слоями. Иными словами, 3D принтер изменяет фазовое состояние веществ в определенных границах пространства. На сегодняшний день трехмерная печать развивается в нескольких направлениях, среди которых можно выделить стереолитографические технологии (STL), методы нанесения термопластов (FDM) и лазерное спекание (SLS).

Метод послойного наплавления термопласта

Это, пожалуй, наиболее популярная техника трехмерного изготовления. Распространенности FDM-аппаратов способствует сразу несколько факторов. В первую очередь в работе устройств используются относительно недорогие пластики. Также имеет значение простая техника эксплуатации, что особенно важно в работе с таким оборудованием. Как правило, технологии 3D-принтеров этого типа предусматривают работу с термопластиками, одним из которых является полилактид. Среди преимуществ этого материала отмечается экологичность, так как получают данный пластик из сахарного тростника и кукурузы.

Главным же элементом в самом принтере стоит назвать экструдер, который выполняет задачу печатной головки. Впрочем, в этой части не все так однозначно, поскольку элемент представляет собой комплекс отдельных компонентов. Если рассматривать термин «экструдер» в привычном понимании, то к нему будет относиться только часть головки в виде подающего механизма. Так или иначе, печатающая основа подает пластик для 3D-принтера путем нанесения расплавленной нити. Движение механической части обеспечивается электромотором. В итоге механизм направляет нить в нагреваемую трубу сопла, которая и формирует конечный объект.

Стереолитографические установки

Технология лазерной стереолитографии сегодня широко применяется в протезировании зубов. Это второй по популярности тип принтеров для 3D-печати. Отличительной чертой стереолитографических устройств является получение непревзойденно высокого качества объектов. Достигаются такие результаты благодаря разрешению аппаратов, которое может исчисляться единичными микронами. Поэтому вполне логично, что работа 3D-принтера на основе лазерной стереолитографии высоко ценится не только стоматологами, но и ювелирами. Программная часть устройства во многом напоминает FDM-аналоги, но есть и целый ряд особенностей технологии. Несмотря на тот факт, что принцип печати называют лазерной стереолитографией, все чаще функция такого оборудования базируется на светодиодных ультрафиолетовых проекторах.

Проекторные модели надежнее лазерных и по цене обходятся дешевле. Для них не нужны деликатные зеркала, обеспечивающие отклонение лучей, что упрощает конструкцию. В то же время печать на 3D-принтере с проекторами отличается высокой производительностью. Данное преимущество достигается благодаря тому, что происходит не последовательное, а полное засвечивание контура слоя.

Лазерное спекание

Еще одна разновидность применения лазерного метода. В этом случае применяется легкоплавный пластик. Мощный лазер прорисовывает по пластиковой основе сечение объекта, что приводит к плавлению и спеканию материала. Так происходит с каждым слоем до получения завершенной модели, которую подготовила программа для 3D-принтера в качестве заготовки. Остатки пластикового порошка стряхиваются с полученного предмета в конце рабочего процесса. Существенным недостатком таких аппаратов является создание объектов с пористой поверхностью. С другой стороны, это никак не влияет на прочность изделий. Более того, именно вышедшие из таких принтеров модели являются самыми долговечными. Сама же установка имеет сложную конструкцию и, как следствие, высокую стоимость. При этом и процесс изготовления отнимает много времени по сравнению с 3D-принтерами других типов. Как отмечают пользователи, скорость формирования модели составляет несколько сантиметров в час.

Расходные материалы

Основным материалом для создания моделей путем трехмерной печати является термопластик. Кроме уже упомянутых разновидностей, стоит отметить пластик для 3D-принтера в форматах ABS и PLA. Также используется нейлон, поликарбонат, полиэтилен и другие виды, также используемые в промышленности. При этом некоторые установки допускают и смешивание материалов, а также использование вспомогательных веществ, улучшающих качественные характеристики будущего изделия. Например, для этой цели используют который, в сущности, является той же разновидностью пластика PVA. Растворив его в воде, пользователь может создавать сложные геометрические фигуры.

Наиболее же экзотическим материалом для использования в подобных задачах является металл. Чтобы получить такое изделие, также применяют 3D-модели для печати на 3D-принтере, а отличия технологии сводятся к функции С ее помощью наносится связующая клейкая масса в места, куда указывает компьютерная программа. Далее на всю рабочую область головка наносит тонкий пласт металлической пудры. То есть металл не плавится, как в случае с пластиками, а накладывается и склеивается послойно в виде мельчайших частичек.

Управление работой принтера

Для начала стоит отметить операции, которые контролируются пользователем через компьютер. Это регулировка температуры сопла и рабочей площадки, темпы подачи материала и работы электромотора, который обеспечивает позиционирование печатающей головки. Все эти действия находятся под управлением электронных контроллеров. Как правило, современные модели таких устройств базируются на системе Arduino с открытой архитектурой. Что касается программного языка, то в принтерах используется так называемый G-код, построенный на командах управления оборудованием для печати. На этой стадии можно перейти к рассмотрению программ-слайсеров, которые обеспечивают перевод 3D-модели для печати на 3D-принтере в понятный контроллерам код. Сразу надо сказать, что такое программное обеспечение не имеет прямого отношения к разработке графических моделей.

Программное обеспечение

В перечень основных задач слайсеров входит установка параметров, в соответствии с которыми будет осуществляться печать. Выбор конкретной программы определяется типом принтера. Например, устройства RepRap подразумевают использование слайсеров, выполненных с открытым кодом. Среди таких можно выделить Replicator G и Skeinforge. Однако немало и производителей, которые рекомендуют использовать только фирменное ПО от конкретных компаний. Это, в частности, относится к аппаратам Cube от фирмы 3D Systems. Что же касается моделирования изделий, то этим занимается специальная программа для 3D-принтера, предназначенная для трехмерного проектирования. Обычно для этих целей используют CAD-редакторы, которые, впрочем, требуют определенного опыта работы с дизайном 3D.

Какие изделия можно получить?

Спектр возможностей трехмерных принтеров активно расширяется, что позволяет создавать продукцию для самых разных сегментов рынка. Если говорить о строительстве и архитектуре, то здесь очень ценятся возможности изготовление макетов, для которых, собственно, и разрабатывалась концепция аддитивного производства. В машиностроительной промышленности также широко используется 3D-принтер. Изделия в данном случае могут быть представлены и потребительской продукцией, и отдельными элементами для концептов. Как уже говорилось, высокая точность изготовления деталей была высоко оценена работниками медицины. Помимо протезирования, 3D-принтер используется в изготовлении макетов и образцов органов.