Чем печатает 3д принтер и дорого это обходится
За последние пару лет появилось много новостей о том, что кто-то что-то распечатал на 3D-принтере:
Давайте разберёмся, как работает эта технология, какие у неё ограничения и за ней ли будущее.
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 это работает
Обычно для печати 3D-принтер использует специальный пластик. Он бывает в виде порошка, жидкой смолы или пластиковой проволоки в катушках. Именно из этого материала и будет состоять напечатанная деталь.
Дальше, если говорить грубо, процесс выглядит так:
- этот пластик либо наносят с помощью подвижного сопла;
- либо «запекают» с помощью лазера;
- либо из массива готового материала вырезается лишнее с помощью подвижного резака (но это уже больше похоже на токарное дело и к 3D-печати часто не относят).
Материал принимает нужную вам форму слой за слоем. Когда все слои пройдены, получается деталь.
Ускоренная съемка 3D-печати с помощью подвижного сопла:
Из-за того что принтеру нужно постоянно нагревать пластик, 3D-принтеры печатают не очень быстро: на деталь размером с телефон может уйти 15–20 минут. Ещё скорость зависит от толщины слоя: чем толще слой, тем быстрее печать. Но при большой толщине слоя деталь может получиться неаккуратной: будут видны слои:
Чем тоньше слой, тем более ровной получается поверхность при печати.
Технологии печати
3D-печать очень нужна в промышленности и промдизайне, поэтому существует целый зоопарк технологий печати, у каждой свои преимущества и недостатки.
Стереолитография. Вместо пластика здесь используется специальная смола, которая застывает на свету. Деталь тоже формируется слоями, но сами слои почти незаметны — смола заполняет рельеф и деталь кажется единым целым даже с очень близкого расстояния.
Синтез полимеров (SLS). При такой печати используется порошок, который потом запекается лазерным лучом. Так как лазерный луч можно сфокусировать в любом месте с нужной точностью, то таким способом печати можно получить очень сложные модели с высокой детализацией:
Polyjet. Особенность этой технологии в том, что в ней можно печатать объекты одновременно из разных материалов. Это позволяет создавать практически любые вещи самой сложной формы, которые сразу обладают нужными свойствами. На таком принтере можно напечатать даже кроссовки, которые можно носить:
Что можно напечатать
На 3D-принтере можно напечатать всё что угодно, если у вас есть подходящий материал для печати, готовая модель и достаточно большой принтер.
Прототипы. Часто перед началом производства компании нужно понять, насколько удобной получится вещь в использовании. Чтобы не запускать линию ради одного изделия, его печатают на 3D-принтере и смотрят, что нужно изменить или доработать. На таких прототипах можно заметить, например, что кнопки получились слишком маленькими и их будет неудобно нажимать или что кнопки оказались очень далеко от пальцев и до них нужно будет специально тянуться.
Медицина. Трёхмерная печать активно используется в медицине для создания новых суставов, тканей и лечения пациентов. Отличие от традиционной печати в том, что вместо пластика там печатают специальными «живыми» растворами, которые взаимодействуют друг с другом и ведут себя как настоящие органы и ткани. Благодаря такой технологии сейчас легко напечатать сустав, который хирург может поставить человеку вместо повреждённого.
Хобби и моделирование. На 3D-принтере легко печатать разные миниатюры, коллекционные фигурки и модели.
Производство других роботов. 3D-принтеры пока не умеют производить сервоприводы и микропроцессоры, но уже умеют печатать корпуса и каркасы роботов.
Дома и здания. Берём здоровенные рельсы с моторами и контроллерами. Устанавливаем подвижное сопло, на которое можно подавать строительную смесь (бетон или полимеры). Можно печатать стены зданий. В отличие от традиционных технологий строительства из кирпича, панелей и блоков, форма стен и здания в целом может быть любой. Фундамент, перекрытия и крыша пока что не печатаются, но это пока.
Представьте: отправляем на Марс полсотни 3D-принтеров на подвижной основе. За год каждый из них печатает ещё по 100 принтеров. Далее все эти 5 000 принтеров разъезжаются по Марсу и начинают строить первую колонию. Пока они строят, мы заказываем в Икее мебель, оформляем доставку, и как раз к моменту доставки наши роботы всё допечатают. Яблони на Марсе вряд ли зацветут, а вот пятиэтажки — могут.
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.
Что дальше
Дальше технология победит все проблемы младенчества и будет печатать вам еду, мебель и внутренние органы. Необязательно при нашей жизни, но наши дети и внуки наверняка застанут.
Начнем с краткого экскурса в технологию трёхмерной печати и возможности 3D-принтеров. Сейчас все модели на рынке можно условно поделить на две категории: это FDM- и SLA-устройства.
К первым относятся практически все распространенные принтеры — метод FDM (Fused deposition modeling) подразумевает выращивание объекта по слоям из пластиковой заготовки, которая имеет форму прутка. Технология быстро осваивается и развивается, на нее есть спрос. Рынок уже буквально заполонили самые разные FDM-принтеры на любой бюджет, в том числе «сделай-сам» модели, которые собираются пользователем вручную. В общем, 3D-принтеры уже более чем доступны для неспециалистов.
Не так давно стали появляться и SLA-принтеры, которые работают по технологии лазерного спекания, но пока они очень дорогие и на потребительском рынке не пользуются таким большим спросом, как FDM-устройства, поэтому речь дальше пойдет именно о последних.
В качестве заготовок FDM-принтеры используют нити, в основном, из пластика PLA и ABS. Первый более экологичен, второй — более устойчив к нагрузкам. Пластик подается через экструдер на рабочую платформу, там застывает, платформа опускается на высоту этого слоя — и это процесс повторяется снова и снова, пока объект не будет создан полностью.
Проще говоря, чтобы создавать какие-то предметы в домашних условиях, потребуется купить и настроить 3D-принтер, запастись заготовками, после чего найти или сконструировать трехмерную модель объекта, который планируете создать. Если хотите конструировать самостоятельно, многие производители комплектуют свои модели бесплатным ПО. Также существует масса программ для создания 3D-моделей. Если же у вас нет желания этим заниматься — в Сеть выкладывают множество готовых моделей.
Зачем нужен 3D-принтер?
Основное достоинство 3D-печати заключается в том, что благодаря ей практически любой человек может создать в домашних условиях нужную ему вещь. Но серьезный бизнес на основе штампования предметов на 3D-принтере построить сложно, потому что такая печать не заменит серийное производство, как минимум, из-за невысокой скорости изготовления модели. Так что 3D-принтер — это, в основном, инструмент для DIY-задач и поделок: с его появлением у вас дома появляется мастерская, где можно изготавливать самые разные предметы, от настенных крючков до светильников.
Рассмотрим сферы, где 3D-принтер может пригодиться.
Изготовление пластиковых деталей. Особенно актуально это для бытовой техники и детских игрушек — иногда ломаются всевозможные защелки, кнопки, шестерёнки, ручки и т.д., и не всегда эти детали можно легко заменить. На 3D-принтере можно без проблем напечатать такую же деталь или даже лучше. Причем «вырастить» реально и подвижные детали, и состоящие из нескольких частей.
Хобби. Энтузиасты печатают на 3D-принтере и приспособления для рыбалки, и детали для моделирования самолетов, машин, кораблей, и фигурки из мира анимэ и компьютерных игр. С распространением принтеров, способных создавать объекты в нескольких цветах, коллекционеры стали активнее осваивать 3D-печать.
Игрушки. Это непочатый край для тех, у кого есть дети. 3D-принтер выручит в любых ситуациях — сломалась любимая игрушка, нужна дополнительная посуда в детскую кухню, наборы для сюжетных игр, требуются новые аксессуары к детской железной дороге. А к Новому году, например, можно создавать вместе с детьми елочные игрушки и тематические украшения для дома.
Предметы быта. Это одна из самых популярных областей применения 3D-печати — пользователи изготавливают ручки, крепежи, полочки, крючки, приспособления для полива. Если зайти на любой ресурс, где люди делятся друг с другом моделями, можно почерпнуть очень много идей, которые раньше даже не приходили вам в голову. Например, умельцы изготавливают ручки для комодов с местом для подписей, где что лежит, держатели для телефона в душе и даже подставки для рожков с мороженым.
Запчасти для транспортных средств. Актуально для владельцев автомобилей, мотоциклов, велосипедов и другого транспорта. Часто для создания спроса производители выпускают уникальные запчасти для своей техники, которые поставляются под заказ. Ничего не мешает печатать на 3D-принтере вышедшие из строя шестеренки в механизмах автомобиля, например, в приводе стеклоподъемника, всевозможные кронштейны, колпачки для дисков, штуцеры, элементы салазок люка, узлы креплений дворников и т.д. Это позволит сэкономить не только бюджет, но и время.
В последнее время 3D-принтеры стали использовать для кастомайзинга автомобилей и мотокастомайзинга: люди печатают для них декоративные элементы, не несущие большую нагрузку.
Образование. Отечественные производители 3D-принтеров периодически организуют программы по внедрению этой технологии в школы и даже обучают учителей работе с трехмерной печатью. Вполне возможно, что через несколько лет в каждой школе уже будут классы с 3D-принтерами, на которых будут создаваться образовательные проекты, демо-материалы и модели чего угодно.
Пока же можно создавать дома модели вместе с ребёнком-школьником, заодно обучая его пространственному мышлению. И, конечно, с помощью трехмерного принтера печатать проекты, прототипы и наглядные модели могут сами преподаватели, а также студенты.
Профессиональное использование трехмерного принтера в домашних условиях — удел архитекторов, дизайнеров и представителей других креативных профессий. Архитекторы создают модели зданий и прочих объектов, художники — объекты инсталляций, модельеры — аксессуары и элементы одежды, фотографы — вспомогательные приспособления и редкие запчасти. Конечно, медицинские протезы или подобные сложные объекты на бытовом принтере «выращивать» никто не будет — здесь уже нужен высокоточный профессиональный агрегат.
Аксессуары для гаджетов. Это то, что чуть ли не первым делом печатает новоявленный владелец 3D-принтера — чехлы и подставки для смартфонов и планшетов, холдеры для пультов, кнопки, крепления и многое другое. Во-первых, это просто, во-вторых, полезно, ну а в-третьих, готовых проектов в Сети очень много.
Сувениры. Различную сувенирную и бизнес-продукцию выгодно печатать на 3D-принтере частным предпринимателям. Это фирменные эмблемы, брелоки, корпуса для флэшек и т.д. Кроме того, трехмерная печать позволяет с легкостью создавать несложную бижутерию и даже оправы для очков.
Это основные идеи домашнего использования 3D-принтера, которые уже обкатаны пользователями. Разберемся, что нужно учесть перед тем, как завести дома такого «питомца».
Сколько это стоит?
Разброс цен на сами принтеры очень велик — от 10 000 рублей до бесконечности. Сюда надо добавить цену расходников, поэтому перед покупкой принтера важно определиться с целями печати, нужен он вам просто для развлечения или же вы преследуете более серьезные задачи. Также советуем заранее обдумать объем загрузки девайса и функции, которые вам понадобятся (например, поддержка многоцветной печати сразу же делает принтер значительно дороже).
3D-принтер начального уровня Anet A8 поддерживает даже печать из дерева и нейлона, а стоит от 10 000 рублей
Помните, что Kit-наборы для самостоятельной сборки принтера могут грешить нестабильным качеством печати, а иногда к этому добавляется неустойчивая рама. Бывает целесообразно не заказывать принтер у китайских продавцов, а переплатить и поддержать отечественного производителя, который предоставляет адекватную техподдержку, постоянные обновления ПО и гарантийное обслуживание.
Отечественный 3D-принтер PrintBox3D 270 PRO с сервисным обслуживанием в РФ. Средняя цена — 155 000 рублей
Выбор, как уже было сказано, среди принтеров огромный, а средняя цена агрегата для домашнего использования — около 100-150 тыс. рублей. Часто производитель комплектует принтер стартовым набором с расходниками, что тоже немаловажно.
ПО для создания трехмерных моделей обычно идет в комплекте с принтером или скачивается бесплатно - во всяком случае, новичку точно не надо платить за покупку базовых программ. Так же бесплатно скачиваются и готовые проекты моделей.
Что касается расходных материалов, то нити пластика ABS, PLA, HIPS, нейлоновая нить и т.д. стоят от 1 рубля за грамм — цена зависит от производителя. Например, фирменные катушки от Makerbot стоят примерно 6-7 рублей за грамм, и одна катушка такого PLA-пластика массой 900 г обойдется в 6700 рублей.
Грубо говоря, 10-граммовая ручка для комода обойдется вам минимум в 10 рублей, чехол для смартфона — в 15-20 рублей и т.д. Умельцы вообще обходятся без покупки картриджей и делают их сами из пластиковых отходов при помощи специального оборудования, но в него тоже надо вложиться. Многое зависит, опять же, от целей печати — если создаете что-то с повышенной прочностью, то лучше серьезно подойти к выбору материала и потратить на него чуть больше.
Также помните, что при FDM-печати понадобится постобработка деталей. Придется обзавестись, как минимум, растворителями и наждачной бумагой, а при высоких требованиях к внешнему виду конечной модели потребуется виброинструмент.
С каждым годом домашние 3D-принтеры становятся всё проще в использовании, быстрее и функциональнее. Постепенно увеличивается список материалов для печати. Не за горами то время, когда можно будет дома печатать металлические и стеклянные изделия, а не только пластиковые.
Ещё большую революцию 3D-печать обещает совершить в промышленности и строительстве. Сейчас 3D-принтеры практически повсеместно используют для прототипирования, а в будущем наверняка начнётся и массовое производство высококачественных изделий.
Поскольку домашние «любительские» 3D-принтеры становятся всё лучше, встаёт интересный вопрос: насколько домашнее качество печати отличается от промышленного? Именно таким вопросом задался американский инженер и энтузиаст 3D-печати Майк Скшипчак (Mike Skrzypczak). За образцом он отправился в производственную лабораторию компании Caterpillar, одной из ведущих корпораций по производству крупной спецтехники.
В лаборатории установлен очень дорогой принтер Stratasys Fortus 380 MC стоимостью примерно $200 000. Этот принтер высотой 2 метра предназначен для изготовления износоустойчивых прототипов, которые соответствуют по характеристикам конечной продукции, а также различных производственных инструментов и производственных деталей, выдерживающих высокое давление.
Принтер Stratasys Fortus 380 MC
Промышленный принтер печатает семью типами термопластика: ABS-M30; ABS-M30i; ABS-ESD7; ASA; материал PC-ISO в белом и полупрозрачном цвете; PC; FDM Nylon 12. Согласно официальным техническим характеристикам, толщина слоя составляет 0,330 мм, 0,254 мм, 0,178 мм или 0,127 мм.
Для образца печати Майк взял реальную деталь — вспомогательное приспособление для прокладки шлейфов при изготовлении электронной аппаратуры. Раньше такие формы изготовляли на прессе методом формовки, но сейчас для этого отлично подходит 3D-печать.
Итак, потягаться с промышленным монстром попробует Lulzbot Taz 5 3D с розничной ценой около $2200.
Принтер Lulzbot Taz 5 3D
Stratasys Fortus 380 MC напечатал деталь из пластика ABS, со 100% заполнением, при стандартной толщине слоя и нормальными установками по умолчанию. Майк говорит, что на фабрике его не допустили непосредственно к машине, поэтому он не может рассказать во всех подробностях о параметрах печати. В лаборатории просто сделали эту деталь по его просьбе, ну и на этом спасибо.
На домашнем принтере инженер использовал филамент HIPS, печать осуществлялось соплом диаметром 0,5 мм, с толщиной слоя 0,1 мм, 25% наполнением, с четырьмя верхними и нижними твёрдыми слоями, скоростью печати 45 мм/с и стандартным ускорением, температурой экструзии 240°C. температурой рабочей поверхности 110°C и шириной экструзии 0,6 мм.
Вряд ли такой тест можно назвать стопроцентно корректным. Нам неизвестны точные параметры печати на промышленном принтере. К тому же, инженер почему-то использовал другой филамент HIPS, хотя домашний принтер может печатать тем же ABS, и заполнение 25% вместо 100%. В общем, это весьма поверхностное сравнение, но всё равно довольно любопытное.
Печать изделия на обеих машинах заняла 18 часов. Итак, что же получилось?
На фотографиях две детали легко различить, потому что промышленная деталь чёрного цвета. Экспериментатор максимально очистил детали от излишков материалов — и начал фотографировать.
Если внимательно присмотреться, то разница всё-таки становится заметна. Изделие Stratasys Fortus 380 MC получилось немного качественнее, но разница не столь радикальна, как вы могли бы подумать.
Майк Скшипчак тщательно исследовал отдельные элементы двух деталей. Например, монтажный выступ на краю формы. Энтузиаст посыпает голову пеплом, потому что не предусмотрен адекватную поддержку для таких выступающих частей, которые печатал на домашнем принтере. Поэтому монтажный выступ на детали с домашнего принтера напечатался не полностью. Но его верхняя часть, которая напечаталась нормально, не уступает по качеству детали с промышленного принтера.
Ещё один фрагмент, который он исследовал подробно — монтажные отверстия и окружающая их часть деталей. Здесь можно заметить, что в «домашнем» варианте вокруг монтажного отверстия присутствуют небольшие разрывы в верхних слоях печати. Он говорит, что если бы печатал деталь заново, то сделал бы в два раза больше твёрдых верхних и нижних слоёв, чтобы устранить этот артефакт. Просто слои слишком тонкие, поэтому четырёх, как видим, оказалось недостаточно.
В целом же, на вышеуказанных фотографиях разница в качестве деталей не сильно отличается и не является критичной.
Часть детали, где самая большая разница в качестве печати — это нижняя поверхность, которая соприкасается с поддержкой. Энтузиасты 3D-печати хорошо знают, что поддержка портит поверхность, который соприкасается с ней, поэтому желательно минимизировать её количество (см. статью «10 правил подготовки модели к 3D печати»).
Так вот, любительский принтер делает поддержку из такого же материала, из которого изготовлена сама деталь, со всеми вытекающими последствиями: массой заусенцев и неровных участков, которые остаются на поверхности. В профессиональном принтере Stratasys Fortus 380 MC поддержка изготавливается из отдельного разлагаемого материала. Он растворяется в специальном солевом растворе и просто смывается. Вот здесь мы и видим большую разницу в качестве изделия.
Независимо от качества самой печати, именно метод химического удаления поддержки, сделанной из другого материала, обеспечивает лучшее качество на отдельных частях поверхности детали.
Деталь с любительского принтера, видимо, необходимо тщательно шлифовать, чтобы добиться такого же качестве на этих участках. Или сделать небольшой апгрейд. К принтеру Lulzbot Taz 5 3D примерно за $500 можно докупить печатающую головку, которая тоже способна печатать поддержку из растворимого материала. Полтысячи долларов — конечно же, немалая сумма, но всё равно её не сравнить с $200 000 за профессиональную машину Stratasys.
И ещё на «любительской» детали инженер обнаружил один дефект, который отсутствует на промышленном принтере. Отдельные фрагменты заготовки не склеились нормально: на фотографии видна горизонтальная линия между ними.
Несмотря на это, обе детали могут нормально выполнять свою функцию, то есть использоваться для прокладки шлейфов при изготовлении электронной аппаратуры.
Конечно, если посмотреть на фотографии отдельных фрагментов, то разница в качестве очевидна, и кто-то может сказать, что профессиональный принтер печатает намного лучше. Но на практике это не такие уж и существенные отличия, говорит Майк Скшипчак.
Вполне вероятно, что более опытный мастер мог бы напечатать ту же самую деталь гораздо лучшего качества, чем это получилось у Майка.
Да он и сам признаётся, что если немного изменить настройки печати и применить пару трюков, то мог бы добиться лучшего качества изделия и устранить проявившиеся дефекты. То есть здесь опять многое зависит не только от принтера, но от ровных рук и опыта мастера, который печатает деталь. Это мастерство приходит с опытом.
Хотя деталь у него не очень получилась, Майк подчёркивает, что в реальной работе обе детали совершенно идентичны, то есть ему нет разницы, какую из них использовать со шлейфами для электроники. Таким образом, оба принтера великолепно справились со своей задачей и отлично подходят для использования в работе, то есть для изготовления оригинальных деталей. Если здесь нет особой разницы, то трудно придумать оправдание для покупки принтера, который примерно в 90,9 раз дороже.
Сейчас инженер планирует провести ещё несколько сравнительных тестов на координатно-измерительной машине и проверить, насколько две детали точно выполнены геометрически. Есть подозрения, что именно в этом тесте промышленный принтер покажет, почему он так дорого стоит.
В общем, даже из этого эксперимента можно сделать вывод, что «любительские» принтеры не так уж и сильно отстают по качеству печати от профессиональных промышленных машин, в сто раз более дорогих. Многое зависит от опыта и мастерства инженера, которые знает, каким образом напечатать конкретную деталь лучше всего, как избежать наиболее вероятных дефектов.
В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.
В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.
Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтинг. Изготовление физических предметов с помощью цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры еще не сильно отличались от калькуляторов, а до выхода Windows-95 было десять лет, он изобрел стереолитографию - предшественницу 3D-печати. Работала технология так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал застывал и превращался в пластиковое изделие. Форму печатали по цифровым объектам, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими издержками.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
- экструдер, или печатающая головка — разогревает поверхность, с помощью системы захвата отмеряет точное количество материала и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей;
- рабочий стол (его еще называют рабочей платформой или поверхностью для печати) — на нем принтер формирует детали и выращивает изделия;
- линейный и шаговый двигатели — приводят в движение детали, отвечают за точность и скорость печати;
- фиксаторы — датчики, которые определяют координаты печати и ограничивают подвижные детали. Нужны, чтобы принтер не выходил за пределы рабочего стола, и делают печать более аккуратной;
- рама — соединяет все элементы принтера.
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
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.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.
Как запрограммировать 3D-принтер
Краткая инструкция по настройке принтера:
- Выбрать 3D-модель. Изделие можно нарисовать самому в специальном CAD-редакторе или найти готовый чертеж — в интернете полно моделей разной сложности.
- Подготовить 3D-модель к печати. Это делают методом слайсинга (slice — часть). К примеру, чтобы распечатать игрушку, ее модель нужно с помощью программ-слайсеров «разбить» на слои и передать их на принтер. Проще говоря, слайсер показывает принтеру, как печатать предмет: по какому контуру двигаться печатной головке, с какой скоростью, какую толщину слоев делать.
- Передать модель принтеру. Из слайсера 3D-чертеж сохраняется в файл под названием G-code. Компьютер загружает файл в принтер и запускает 3д-печать.
- Наблюдать за печатью.
Можно ли применять напечатанные изделия
Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.
Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today
Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:
- механическая обработка — шлифовка вручную, срезание заусенцев;
- химическая — погружение в ацетон, пескоструйная обработка, нанесение спецраствора кисточкой.
Что можно напечатать на 3D-принтере
В интернете полно подборок с инструкциями для печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких запчастей до скульптур. На «Хабре» уже три года назад постили список «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D написали о более масштабных проектах — печати автомобилей, оружия, солнечных батарей и протезов.
Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.
Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.
Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.
Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse
Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:
— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;
— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;
Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse
— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.
Технологии 3D-печати
Кратко об основных методах 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.
Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.
Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.
Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.
Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.
На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today
Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.
Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.
Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.
Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.
Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.
Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.
Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
Немножко истории
Современная «массовая» 3D-печать пришла к нам из RepRap-сообщества, которое поставило целью создать машину, способную полностью себя воспроизвести. Пока, заметим, цели этой, деятели из сообщества не достигли - в 2008 году они остановились на 50% воспроизведения, и перспектив на дальнейшее продвижение пока не видно. Зато это дало толчок появлению многих принтеров с “системой самиздата”. Одним из ярких участников и сподвижников движения 3D-печати является молодой чешский изобретатель Джозеф Пруза, вошедший, в итоге в историю тем, что в честь него названа одна из самых популярных моделей open-source 3D-принтера Mendel Prusa.
Как это работает?
Существует множество способов печати, но мы будем рассматривать cамый доступный для обычного пользователя. 3D-печать пришла в мир обывателей из промышленности, где ее применяют для изготовления прототипов продуктов. Что же такое домашняя 3D-печать? Это FDM (fused deposition modeling) технология (или говоря по-русски “метод послойного наплавления”). Сначала вы создаете компьютерную 3D-модель при помощи специального программного пакета 3D-моделирования. После чего полученный файл формата .stl загружается в не менее специальную программу-слайсер (slicer), которая преобразует модель в g-code (далее г-код), что есть по сути - набор координат движения головки принтера. Полученный г-код передается на наше чудо-устройство - 3D-принтер. И начинается волшебство печати - принтер слой за слоем создает модель, как показано на этом видео.
Чем печатать?
Основные материалы - это пластик двух видов - ПЛА и АБС. Буквы являются аббревиатурами химических формул. ПЛА - биоразлагаемый материал и дружелюбен к природе. С АБС все похуже в этом плане, так как это пластик на основе бензина. Если же мы посмотрим в сторону использования пластика в “боевых условиях”, то они примерно равны в твердости, но ПЛА более чувствителен к высоким температурам, АБС же легко справляется с такими испытаниями.
Зачем это нужно?
Если мы рассматриваем домашнюю 3D-печать, то это необходимо для производства любой формы в пластике. Можно создавать, например, макеты частей человеческого тела для студентов-медиков. Архитекторы могут воплощать в реальность макеты своих проектов. 3D-дизайнер может распечатать фигурку для просчета анимации, например. В музеях можно печатать мини-копии скульптур для слепых людей. Либо вы можете придумать свою игрушку и начать печатать ее себе на радость.
Какой принтер я могу купить?
Вариантов просто тьма, и чтобы разобраться в этом разнообразии, надо посидеть довольно продолжительное время. Представлю вашему вниманию самые известные и в какой то мере оптимальные модели на данный момент.
Makerbot Replicator 2
Цена устройства: 2200 USD (официальная) 85000 - 95000 руб (российская дистрибуция)
Самое распиаренное и известное устройство с солидной историей. Сама компания-производитель была выкуплена Stratasys - пионером 3D-печати. Перспективы предприятия с точки зрения дружественности к пользователю сомнительны. Хотя само устройство имеет неплохую репутацию. Правда на форумах порой частенько встречается жалобы обычных пользователей, что устройство работает не так как надо. Да и по техническим характеристикам принтер далеко не лучший.
Размеры камеры печати - 28,5 х 15,3 х 15,5 см
Скорость печати - 50 мм/сек
Максимальное разрешение печати слоя - 0.1 мм
Пластик - ПЛА (Replicator 2x (2800 USD оф цена) возможно печатать и АБС).
Up Plus
Цена устройства: 1800 USD (официальная) 70000 руб (российская дистрибуция)
Один из самых надежных вариантов за доступную цену. Машина незамысловата, но надежна. Имеет свой закрытый софт с ограниченным функционалом. Главный минус принтера - медленная работа и не самые внушительные объемы печати. Начинающие предприниматели частенько начинают с него.
Размеры камеры печати - 14,0 x 14,0 x 13,5 см
Скорость печати - 40 мм/сек
Максимальное разрешение печати слоя - 0.15 мм
Пластик - ПЛА и АБС.
Ultimaker
Цена устройства: 1200 EURO (набор) 1700 EURO (собранный)
Полностью открытый принтер с одним из лучших конструкционных решений на данный момент. Технические характеристики варьируются от прямоты рук и сделанных апгрейдов. Полностью гиковское устройство, которое может дать очень крутые результаты при хорошей настройке. Имеет хорошее комьюнити, но компания не спешит с выпуском новых моделей.
Размеры камеры печати - 20,5 х 20,5 х 20,0 см
Скорость печати - до 150 мм/сек
Максимальное разрешение печати слоя - 0.05 мм
Пластик - ПЛА и АБС (но чтобы нормально печатать АБС необходимо докупить горячий стол).
Что дальше?
Развитие 3D-печати идет быстро, в первую очередь благодаря открытости изделий и активному сообществу. Ко многим моделям можно спокойно скачать список запчастей и попробовать его собрать. Профессиональные устройства применяются в самых разнообразных отраслях - киноиндустрии, медицине, аэрокосмической индустрии и т.д. Развитие и бум 3D-печати произойдет в ближайшие пару лет. И это тот кусочек будущего, который мы можем потрогать уже сегодня.
Отдельной строкой хочется сказать и про Россию. В продаже уже имеется российский вариант 3D-принтера (правда цена кусается, и конструктивно он смахивает на Прузу). Есть много других ребят, которые продают принтеры и занимаются печатью на заказ. И что самое интересное каждый из них уже задумался или даже начал реализовывать свой проект 3D-принтера, потому что собрав один из них, ты уже начинаешь понимать принцип его работы.
Читайте также: