Как работает фотополимерный 3d принтер
Это устройство, которое позволяет из расходного материала создавать объёмные предметы разной степени сложности. Эти объекты должны быть смоделированы в специальной CAD-программе и переданы на печать в виде файла определённого формата.
Основный принцип работы
- на компьютере в специальной CAD-программе моделируется объект;
- готовый объект, сохраненный в специальном формате, нарезается программой — слайсером, которая идет в комплекте с устройством, причём толщина каждого слоя определяется возможностями 3д-принтера и выбранными настройками;
- каждый слой переводится в двоичный командный код, который получает устройство, и в соответствии с которым, согласно координатам, наносится слой материала;
- слой за слоем формируется объект.
Технологии трёхмерной печати
Существует довольно большое число технологий, применяемых в 3D-печати. От технологии и технология зависят от используемого для печати материала.
В настоящее время для этого можно использовать: пластиковые нити, фотополимерные смолы, металлические порошковые сплавы; гипсовый композитный порошок, воск, а также разные строительные и кулинарные смеси.
Наиболее известны следующие технологии 3D-печати:
- FDM;
- SLS и SLM;
- ламинирование;
- фотополимерная печать;
- печать гипсом;
- строительная печать бетонной смесью и другие.
Послойное наплавление
Наиболее простая и популярная технология печати – это FDM или технология послойного наплавления.
Она подразумевает подачу пластиковой нити к специальному нагревательному элементу.
Посредством экструдера расплавленный пластик наносится в заданной печатной области. Экструдер закреплён на печатной головке, которая перемещается по рабочей зоне печати в горизонтальной плоскости. Как только слой будет напечатан, рабочая платформа опустится на величину слоя и работа продолжится снова.
Этот тип печати является наиболее доступным. И устройства, основанные на нём, стоят дешевле всего. Именно поэтому такие 3D-принтеры являются самыми востребованными для домашне-бытовых целей, то есть персонального использования.
Фотополимерная печать
Фотополимерная печать осуществляется несколько иначе. Материал также наносится послойно, но он изначально находится в жидком состоянии в специальной ванне. Слой за слоем на материал воздействует лазерный или ультрафиолетовый луч, и платформа поднимается вверх. То есть объект как бы выращивается. Под действием излучения материал полимеризуется и твердеет.
Так как такая технология позволяет получать изделия с высочайшей точностью, в том числе и тонкостенные, то она является более перспективной и обладает более широкими возможностями. Именно она используется на сложных производствах и предприятиях.
Востребованы подобные устройства и в медицинской сфере, открывая широчайшие возможности изготовления высокоточных хирургических шаблонов и даже протезов.
Как устроен 3D-принтер
Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейно двигаться в трех измерениях.
Приборы оснащают высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за порядок перемещения этих двигателей.
Автоматизированная система передвигает печатающую головку, в нужный момент выдавливая материал (например, расплавленную пластмассу).
Слой за слоем создается фигурка, изначально заложенная в программу.
В основе лежит принцип работы «картезианского робота» (устройство, способное передвигаться по картезианским координатам, более известным каждому школьнику, как Декартовы координаты – X, Y, Z).
Примерная схема печатающей головки 3d принтера
- Экструдер. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Состоит из термальной головки и привода, выдавливающего нить пластика. Работает так: в принтер заправляется катушка с нитью, привод разматывает и выталкивает ее, подавая к термальной головке (называемой также камерой). Головка обычно представляет собой нагреваемый алюминиевый элемент, который расплавляет нить. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие печатающей головки.
- Линейный двигатель. От его разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой оси координат используется отдельный гладкий стержень, работающий вместе с подшипниками. Подшипники бывают пластиковыми, стальными, бронзовыми и т.д. Бронзовые сложнее всего калибровать во время сборки, но зато они менее шумные.
- Фиксаторы. Чтобы линейные приводы не выходили за пределы рабочего поля, нужны ограничители – фиксаторы. На функциональность работы они не влияют, но их наличие делает печать значительно более точной и аккуратной. Встречаются модели с оптическими или механическими фиксаторами.
- Платформа. Поверхность размером 100-200 кв.мм., на которой будет создаваться готовая фигура. Производители обычно делают платформу подогреваемой – это нужно, чтобы не допустить трещин или разрывов на модели, обеспечить сцепление между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Площадка изготавливается обычно из алюминия или стекла – вещества с хорошей проводимостью тепла.
Как происходит печать
Программное Обеспечение для 3d принтера
Сначала с помощью специального программного обеспечения создается модель будущего объекта, затем ее загружают в принтер, который по описанной выше технологии создает физический объект.
Такой способ называется прототипированием. Но сейчас есть еще несколько принципов работы 3D-принтеров, разработанных на его основе:
- Стереолитография (SLA). В роли основного материала выступает смесь жидкого полимера со специальным реагентом, служащим для отвердевания пластика (напоминает эпоксидку). Ультрафиолетовый лазер отвечает за полимеризацию смеси в нужный момент. Фигура строится на подвижной платформе, соединенной с небольшим «лифтом», перемещающим заготовку вниз или вверх на расстояние одного слоя. Когда лазерный луч погружается в полимер, то останавливается на местах, которые должны затвердеть. После формирования слоя лифт поднимает или опускает заготовку.
- Выборочное лазерное спекание (SLS). Не секрет, что технологии 3D-печати внедрены уже почти во все области производства. Не стала исключением и металлообработка, именно здесь применяется метод SLS. В качестве материала выступает композитный порошок, содержащий в составе частицы размером 50-100 мкм. Порошок равномерно наносится слой за слоем, после чего «запекается» лазером. Технология очень экономичная и практически безотходная, если сравнивать с традиционной резкой, литьем, фрезеровкой, сверлением и т.д.
- Многоструйное моделирование. Уникальная разработка американской компании 3D Systems, похожая на стандартную струйную печать в обычных принтерах. В процессе задействовано несколько десятков или даже сотен сопел, которые рядами выстроены на печатающей головке. «Чернила» нагреваются, слоями опускаются на рабочую поверхность, затем отвердевают при комнатной температуре.
Это лишь основные и наиболее распространенные методы, на самом деле существует масса более редких, узкоспециализированных вариантов – например, УФ-облучение через фотомаску (SGC), послойное склеивание пленок, склеивание порошков, ламинирование листовых материалов (LOM) и другие.
Области применения 3D-печати
Технология нашла применение практически во всех сферах деятельности человека:
- образовании;
- архитектуре;
- науке;
- машиностроении;
- медицине;
- кулинарии;
- приборостроении;
- производстве одежды и обуви.
Шоколадный 3d принтер
Пицца, распечатанная на 3d принтере
Макет дома, распечатанный на 3d принтере
Автомобиль, распечатанный на 3d принтере
Конструктивные особенности 3D-принтеров
Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Выделяют несколько схем 3D-печати, исходя из перемещений платформы и печатающей головки, которые могут двигаться относительно друг друга в различных плоскостях.
Существует четыре основные схемы печати:
- дельта,
- экструдер перемещается по осям Х и Y,
- экструдер меняет положение в пространстве по осям X и Z,
- экструдер движется по осям X, Y и Z.
I схема
Платформа находится в неподвижном состоянии, положение по осям x, y, z меняет только экструдер. Особенность модели — наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трёх стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещённом на опоре, с возможностью вертикального перемещения.
Плюсы: высокая скорость печати, хорошая точность.
II схема — экструдер движется по осям Х и Y
Печатающая головка находится над платформой и способна двигаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.
ЗагрузкаЭкструдер движется по осям Х и Y
III схема — экструдер перемещается по осям X и Z
Экструдер, как в предыдущем типе, способен передвигаться влево или вправо, а также менять своё положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, способна двигаться вперед или назад не меняя высоты.
ЗагрузкаЭкструдер перемещается по осям X и Z
IV схема – экструдер движется по осям X, Y и Z
Последняя схема предполагает использование неподвижной платформы. Как в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трём осям [x, y, z], однако в данном случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.
Слой за слоем: как работает 3D-принтер
Самый доступный и потому самый распространённый способ 3D-печати, при котором готовый предмет создаётся из жидкого пластика или композитных материалов, которые проходят через печатающую головку-экструдер и послойно отверждаются лазером. Готовый слой смещается вниз, и печатается новый, и так до тех пор, пока не будет готов весь элемент. FDM-принтеры являются одним из самых простых способов 3D-печати, подобные устройства можно даже собрать самостоятельно. Ну, или купить готовые решения, которых на рынке присутствует множество.
Стереолитография (SL или SLA)
По своему принципу действия этот вид 3D-печати похож на предыдущий, только в нём исходным материалом выступает жидкая смола (акриловая, эпоксидная, виниловая) или пластмасса. Луч лазера послойно "запекает" исходный материал, формируя готовый предмет. Затем он промывается от остатков смолы или пластмассы и подвергается окончательному отверждению с помощью ультрафиолетового света. Стереолитография позволяет печатать элементы с тонкой деталировкой и после завершения всех процедур готовая деталь получается прочной и химически стойкой, но обратной стороной медали является очень высокая стоимость таких 3D-принтеров.
Cелективное лазерное спекание (SLS)
Ещё один способ послойной печати предметов, в котором лазер спекает порошок — металлический, пластиковый или керамический — слой за слоем, формируя готовый объект. Существует методика плавки (SLM), которая отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чисто металлическим порошком без всяких добавок — так формируются монолитные элементы, лишённые пористости, характерной для обычного спекания.
Как правило, толщина нити и самих слоев составляет доли миллиметра: типичный диаметр сопла варьируется от 0,3 до 0,8 мм, тогда как толщина слоя составляет от 50 до 300 микрон. Для сравнения, толщина человеческого волоса колеблется в пределах 80-100 микрон. Очевидно, что печать тонкой нитью занимает достаточно долгое время. Действительно, типичный производственный цикл с легкостью может измеряться часами, а то и превышать сутки: здесь все зависит от выбранного диаметра сопла, толщины индивидуальных слоев и габаритов самого изделия. Чем выше толщина нити и слоев, тем меньше времени уйдет на печать, но и качество поверхностей будет ниже.
Расходные материалы
Одним из самых привлекательных факторов FDM-печати остается огромное разнообразие относительно недорогих расходных материалов. Два наиболее популярных пластика АБС(акрилонитрилбутадиенстирол) и ПЛА (полилактид).
С первым вариантом знакомы абсолютно все из нас – это наиболее широко используемый промышленный пластик, из которого изготовлена ваша любимая кофемолка, шариковая ручка, защитный кожух смартфона и множество других бытовых вещей.
Второй представляет собой экологичную альтернативу, будучи органическим, биоразлагаемым полимером, изготавливаемым из кукурузы или сахарного тростника.
Пусть ПЛА и не так долговечен, его можно смело выбрасывать в мусор, так как под воздействием среды через несколько месяцев полилактид превратится в безвредный компост.
Печать на основе фотополимеров ведется при методе стереолитографии SLA. Я процесс печати применяется жидкий полимер. Сам принтер состоит из мощного лазера, а также ванной, в которой располагается платформа-основание.
Особенности принтера для SLA
Суть работы 3D-принтера сводится к следующему. Платформа опускается в ванну на глубину, которая зависит от толщины слоя печати. Затем на нее лазером проектируется слой будущей модели. Под его воздействием фотополимер твердеет, то есть начинается формирование детали. Затем платформа опускается, чтобы начать формирование второго слоя. И так до тех пор, пока не будет получена трехмерная модель. После того, как печать окончена, изделие обрабатывается специальными составами, чтобы удалить излишки материала. В окончательной стадии работ деталь помещают в ультрафиолетовую камеру, в которой она твердеет.
Плюсы и минусы SLA-принтера
Фотополимер при печати отвердевает всего на 20%, что вызвано трудностями с выбором мощности лазера. К достоинствам данного принтера можно отнести высокую точность каждой детали и возможность создавать прототипы для различных сфер. С другой стороны, оборудование стоит довольно дорого, а сама печать занимает слишком много времени. К тому же созданные детали требуют дополнительных работ, которые выражаются в промывании и отвердевании изделия. Кроме того, жидкий полимер стоит дорого.
Как ведется печать?
Выращивание прототипа ведется на основе специальной сетчатой платформы. Первый фотополимерный слой отличается тонкостью, однако в ходе процесса под воздействием лазера он постепенно отвердевает. Отвердевание модели происходит на тех участках, которые задаются на компьютерной модели. На конечной стадии работ почти готовая модель опускается в емкость с химическим раствором – в нем с изделия удаляются ненужные артефакты, к тому же оно очищается. При процессе печати потребуется подготовка и выстраивание вспомогательных структур, которые позволят достичь оптимальных физико-химических свойств и будут удалены по завершению формирования прототипа.
Чем хороша 3D-печать посредством метода SLA? Во-первых, скоростью процесса – можно вырастить объект буквально за один день. Во-вторых, на основе данного метода можно создавать сложные по рельефу конструкции. В-третьих, можно подобрать большое количество материалов, которые позволят вести качественный и быстрый процесс печати.
Принтер Objet
Принтер Objet24 позволяет создавать прототипы высокой детализации, при этом они могут оснащаться движущимися элементами. Конечная деталь будет отличаться прочностью, несмотря на тонкие стенки, а гладкая поверхность – возможность для дальнейшей покраски в нужное цветовое решение. Эта модель принтера подходит для дизайнеров или инженеров, которым нужно создавать модели высокой точности. Данное устройство работает с твердым фотополимером VeroWhitePlus, который удобен в использовании: его можно окрасить, просверлить, подвергнуть механической обработке.
Принтеры для профессиональной деятельности
В профессиональных целях можно использовать модель принтера Objet Eden260V. Это по-настоящему выгодное вложение средств, поскольку можно быстро создавать прототипы из 18 материалов. Ультратонкие слои трехмерной модели позволяют обеспечить исключительную детализацию, сложные формы и очень тонкие стенки. Устройство работает бесшумно, поэтому станет отличным решением для офисных помещений. Данная модель принтера работает с несколькими типами материалов:
- прозрачными, на основе которых можно создавать детали прочных форм и с гладкой поверхностью,
- непрозрачными жесткими материалами различного цветового решения,
- сырьем на основе полипропилена, которое отличается гибкостью и при этом прочностью, поэтому можно создавать прототипы с движущимися элементами,
- эластичными материалами, которые позволяют печатать детали с нескользкой или мягкой поверхностью,
- термостойкими материалами, позволяющими создать функциональные детали.
Главная отличительная особенность готового изделия – сияющий цвет, что обеспечивается применением материалов различного цветового решения.
Устройство 3D-печати Objet500 Connex3 – это создание прототипов, которые могут совмещать в себе до 46 цветов. В данном принтере можно сочетать несколько прочных фотополимеров.
Фотополимеры: виды и сфера применения
Этот вид пластика отличается сопротивлением к высокой температуре и высокой прочностью. На основе материала можно печатать модели высокой ударопрочности и ударной вязкости. На основе Digital ABS можно создавать:
- функциональные прототипы,
- пресс-формы,
- корпусные детали, которые эксплуатируются при низких или высоких температурах,
- корпусы электронных деталей, например, для мобильных телефонов,
- детали двигателей, крышек.
3D-печать на основе эластичного фотополимера Tango позволяет создавать прототипы, которые отличаются высокой твердостью и прочностью на разрыв. На их основе можно печатать изделия для выставок, различные ручки, шланги и обувь. Таким образом, фотополимерная 3D-печать на основе технологии SLA – это возможность получать качественные модели, которые могут применяться в различных сферах.
Привет, Пикабу. На днях стал обладателем фотополимерного 3D-принтера Anycubic Photon S, хочу поделиться первыми впечатлениями. Но сначала маленький ликбез о типах принтеров и их различиях.
Собственно, FDM-принтер
Принцип работы фотополимерников заметно отличается - модель создается не наплавлением, а отвердением. В специальную ванночку с прозрачным дном заливается специальный жидкий фотополимер, твердеющий при попадании на него ультрафиолета. Затем в ванночку опускается рабочая поверхность, которая служит основой для модели. Опускается она таким образом, чтобы оставить между дном ванночки и рабочей поверхностью зазор в 1 рабочий слой. Например, в моём случае, это минимум 0.05мм (50 микрон). Далее, области, которые нужно затвердить подсвечиваются ультрафиолетом. Тут есть вариации - может использоваться направленный УФ-лазер (SLA), либо, как у меня, используется связка из УФ-подсветки и ЖК-экрана (DLP). Подсветка просто включается в нужный момент, а уже экран пропускает ультрафиолет только через те пиксели, которые необходимо. После того, как смола отвердевает, рабочая область немного поднимается и печатается следующий слой по такому же принципу. Соответственнно, точность принтера зависит от разрешения экрана (в Photon S это 2560x1440 при размерах рабочей области 115 мм на 65мм) и минимального шага рабочей платформы по оси Z (подъем-опускание)
Набросал простую схемку с основными рабочими элементами DLP-принтера на основе изображения Anycubic Photon S из интернета.
Областей применения таких устройств куда меньше и они специфичнее. Изначально это ювелирка, насколько я понимаю. Кроме этого, сейчас, благодаря тому, что фотополимерная печать становится доступнее, распространяется художественная печать - миниатюры, элементы для настольных игр, мастер-модели для последующей отливки и т.д. Ах да, конечно же, лечение зубов - например, известные многим фотополимерные пломбы изготавливаются по аналогичному принципу. Пломбы, правда, делаются прямо на зубе, а вот принтеры используются для моделирования целых челюстей, насколько я понимаю - буду рад, если специалисты поправят в комментах. При этом, печатать детали, которые будут под нагрузкой, на таком принтере я бы не стал - всё же застывший фотополимер довольно хрупок. Как минимум, для таких целей стоит использовать соответствующий промышленный (более дорогой) полимер.
Цены на некоторые из фотополимеров на официальном сайте Anycubic. На самом деле это просто коммерческий сайт, спасибо @AvelNobel за уточнение. Бывают и более дешевые варианты от сторонних компаний.
Я, конечно, не ювелир (да и не Саша и даже не Евгений), да и не стоматолог - так что моя сфера использования это художественные модели. Как раз-таки те самые миниатюры, элементы для настольных игр, фигурки из игр и не только и всякое такое прочее. Много всяких идей есть. Я и принтер-то купил по той причине, что изучаю 3-д моделирование и, как по мне, очень круто иметь возможность воплотить в жизнь то, что ты только что смоделировал. По мере реализации буду делиться опытом, конечно. Ну а сейчас хочу показать небольшой пример печати и обработки одной из первых напечатанных моделей. Он не самый удачный, поскольку пока не хватает опыта, знаний и некоторых ресурсов, но почему бы и нет :)
При печати использовалась модель со скетчфаба от многоуважаемого @andrey3dp из вот этого поста Печенька - 3d model (Free)
Из-за того, что поленился отделить кекс от печенюха в 3д-редакторе и решил напечатать его на поддержках, в итоге получил баг в программе-слайсере, которая готовит модель к работе с принтером. Результат, так сказать, на лицо)
Убираем поддержки, не забыв рубануть палец в процессе.
Боремся с артефактами. Как оказалось. это скорее труба, чем стержень, так что было не так уж сложно. Терминатор.jpg
Дошлифовал еще немного и отправил печенюху в духовку уф-сушилку для ногтей для дополнительного отвердения.
Жизнь печенюха, конечно потрепала, несмотря на все усилия по восстановлению. Приклеил с помощью пары капель фотополимера к небольшой площадке оставшейся от предыдущих неудачных экспериментов с принтером.
Ну и финалочка, еще пошлифовал немного, окончательно искупал в изопропиловом спирте и покрасил. Покрас с одной стороны вырвиглазный, с другой стороны это мой первый раз. Сейчас курю гайды, разбираюсь с кистями, красками, проливками и всем таким прочим. Смущает, что видно мазки на фигурке - неужели эту проблему только аэрографом можно решить?
А на этом пока всё, спасибо за прочтение. Планирую продолжать писать, так что подкидывайте в комментах интересующие вопросы. Извините за пунктуацию, как выяснилось, если долго не читать и не писать особо ничего, начинаешь сомневаться и то терять, то находить лишние запятые.
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.
Перед покупкой 3D-принтера необходимо определиться с задачами, которые вы поставите перед устройством. Это позволит конкретизировать бюджет и поможет выбрать технологию 3D-печати и сам 3D-принтер.
Например, вы занимаетесь изготовлением миниатюр для настольных игр, или литьем из пластика и вам необходима качественная матрица с максимально гладкой внешней поверхностью для создания молда. В этом случае, широко распространенный FDM (fused deposition modelling) скорее всего вам не подойдет. И внимание следует сконцентрировать на фотополимерной (жидкостной) 3d-печати.
Но по каким критериям выбрать такое устройство? В этой статье мы хотим поделиться с Вами 5 советами по выбору фотополимерного 3D-принтера и разобрать, что же представляет из себя эта технология. Поехали!
Вступление
Перед тем, как озвучить наши советы, давайте немного разберем мат. часть и познакомимся с тем, какие вариации фотополимерных 3D-принтеров существуют и чем они отличаются друг от друга. Условимся, что возьмем наиболее распространенные из них и не будем затрагивать довольно редкие и не встречающиеся на рынке.
Технология SLA (Стереолитография)
Стереолитография* - самая первая, изобретенная технология фотополимерной 3D-печати. Использует в качестве расходных материалов «медленные» фотополимерные смолы и работает по принципу «засветки по пикселям», то есть один слой материала засвечивается точечно путем фокусировки лазерного или светового луча.
Это обеспечивает наилучшее качество печати, позволяет работать с широким спектром материалов, но существенно снижает скорость работы.
*Более подробно познакомиться с этим типом фотополимерной 3D-печати, вы можете в нашей статье, по ссылке
Типичным представителем этой технологии являются широко известный 3D-принтер Form 3, от компании Formlabs. Цена этих устройств составляет порядка 200 - 300 тысяч рублей.
Плюсы технологии:
Высокая точность и качество печати.
Большой выбор различных по свойствам фотополимеров.
Минусы технологии:
Сравнительно низкая скорость печати.
Высокая цена расходных материалов.
Технология DLP (Digital Light Processing)
Данная технология является прямым идейным наследником Стереолитографии, но максимально упрощена по сравнению с прародителем.
В качестве источника излучения, как правило применяют мощные DLP проекторы способные выдавать свет с высокой интенсивностью. Отсюда и взялось название самой технологии. Возможность формировать контуры засветки, позволяет добиваться высокой точности позиционирования и выдавать отличное качество внешней поверхности.
Благодаря засветке целого слоя, а не – точечно, данная технология существенно быстрее классического SLA, но немного теряет в качестве.
На этой технологии основана работа многих устройств, например, отлично знакомого нам 3D-принтера XYZ Nobel Superfine, который мы подробно обозревали в одной из своих статей, ранее.
Плюсы технологии:
Более высокая скорость за счет засветки слоя целиком
Более простая, чем SLA
Более дешевые материалы
Минусы технологии:
Проблемы с паразитной засветкой
Падение точности и скорости с увеличением области печати
Технология LCD/DPP (Direct UV Printing/Day light printing)
В целом, похож на DLP, и многие устройства, работающие на этой технологии даже носят название DLP/LCD 3d-принтеров, однако основным отличием является наличие LCD – панели в качестве матрицы или шаблона засветки.
Так же, эта технология наименее затратная в производстве, тк не использует сложных и дорогостоящих элементов, таких, как подвижные отражатели и лазерные источники света.
Она работает благодаря мощному сверхяркому светодиоду, выравнивающей свечение – линзе Френеля и непосредственно матрице IPS LCD панели, формирующей белый контур и черный фон слоя засветки. Черный цвет излучение не проходит, а белый засвечивает свободно, благодаря чему формируется застывающий слой материала.
Отличными примерами данной технологии являются 3D-принтеры Zortrax Inkspire и Photocentric Liquid Crystal HR V2
Плюсы технологии:
Сильно дешевле аналогов
Простая конструктивно и в использовании
Рабочая область ограничена лишь размерами и разрешением матрицы
Минусы технологии:
Так же, проблемы с паразитной засветкой
Менее четкий контур стенки за счет особенности формирования маски
Низкая скорость печати из-за слабой силы засветки материала
Так же, необходимо заметить, что в зависимости от выбора технологии фотополимерной печати, вы сможете использовать разные материалы.
Подбор материала зависит, как правило, от вашего типа 3D-принтера. Разные устройства настроены на излучение разных длин волн однако, как правило, многие производителя оставляют эту информацию в секрете.
В целом диапазон фотополимерных материалов реагирует на ультрафиолетовое излучение средних и длинных волн. 300 – 400 нм. Реже используются коротковолновые полимеры – 200 – 300 нм.
Существует огромное множество материалов с разными свойствами, от стоматологичесих фотополимеров, позволяющих печатать импланты и коронки, до выжигаемых фотополимеров, которые применяется для создания восковок и последующего литья.
Необходимо принять во внимание, что фотополимерные принтеры, помимо расхода материала на поддержки, что неизбежно, так же как правило, оставляют небольшой слой материала на кювете после печати, и если вы планируете использовать несколько разных материалов одновременно, придется закупить больше материала, или запастись дополнительными кюветами, чтобы не расходовать дорогой материал впустую (после каждой смены материала, кювету необходимо промывать от оставшегося фотополимера). Соответственно, чем больше область печати выбранного устройства, тем больше будет расходоваться материала.
Итак, перейдем к нашим советам. Что же необходимо учесть, перед покупкой фотополимерного 3D-принтера?
Совет номер 1
Самым важным при выборе фотополимерного 3D-принтера, как и при покупке любого другого устройства или станка, станет бюджет.
Чем больше денег вы готовы потратить, тем больше вариантов будет для Вас предоставлено. В среднем, один из самых дешевых фотополимерных 3D-принтеров обойдется Вам, примерно в 100 тысяч рублей. Промышленные же решения, легко переваливают за миллион.
Наиболее адекватной ценовой категорией станет сегмент профессиональных и полупрофессиональных устройств. Он стартует около 200 тысяч рублей и отсекается примерно полумиллионом, за самые дорогие устройства.
Совет номер 2
Определитесь с основной задачей.
Какого размера будут ваши изделия?
Чем более точные и маленькие размеры изделий вам необходимы, тем менее подходят для Вас DLP и LCD 3D-принтеры. А значит, нужно остановиться на классических SLA вариантах.
Стоит задача печатать более крупные изделия быстрее и есть возможно более тщательной обработки поверхности? DLP – ваш выбор.
Бюджет ограничен, но требуется более высокое, чем FDM, качество поверхности? LCD – 3D-принтер подойдет Вам, как нельзя лучше.
Совет номер 3
Фотополимерные 3D-принтеры, не предполагают большой свободы в самостоятельном подборе настроек печати, и как правило заточены под ту, или иную модель 3D-принтера, изначально.
Поэтому, если Вам требуется определенный вид материала, например – стоматологические фотополимеры, заранее ознакомьтесь с тем, какие материалы предлагают производители того или иного принтера.
Наиболее широким спектром фотополимеров, на данный момент обладают компании Formlabs и Photocentric, если выбирать из уровня полупрофессиональной и профессиональной, не промышленной техники.
Совет номер 4
После того, как вы выбрали производителя и технологию, обратите внимание на размеры кюветы (рабочей области), доступных устройств.
В данном случае, как мы уже говорили выше, в зависимости от технологии, варьируется и размер платформы. Например, 3D-принтеры Photocentric Liquid Crystal Pro обладают поистине внушающим объемом печати 470 x 240 x 340мм, тогда как размер даже самого большого Formlabs Form 3L ограничен 300x335x200мм.
Так же, например, для печати партий ювелирных восковок, или стоматологических элайнеров, потребуется принтер с большой областью печати.
Если же вы планируете печатать мастер модели и матрицы для фигурок из настольных игр и вам требуется максимальное качество, лучше обратить внимание на маленький SLA-DLP 3D-принтер, с высокой детализацией и толщиной слоя меньше 100 микрон.
Совет номер 5
Как и в любых других устройствах, чем более «упакован» 3D-принтер дополнительными функциями, тем удобнее им пользоваться. А значит, быстрее будет происходить процесс постановки на печать, легче станет отслеживать ее статус и меньше потребуется лишних действий.
Для комфортной работы Вам потребуется, как минимум:
система автоматической подачи полимера в кювету
датчик уровня жидкости в кювете
быстросъемная платформа построения
Так же, немаловажным является интерфейс устройства и программное обеспечение, идущее в комплекте.
На данный момент, хорошим тоном среди производителей является наличие удобного сенсорного дисплея с хорошо читаемыми иконками, возможность подключения принтера по Wi-Fi, или Lan и собственное П.О.
На данный момент спектр выбора фотополимерных 3D-принтеров огромен. Заметно расширившийся потенциал технологии набирает обороты, а благодаря высокому качеству печати и широкому набору материалов различных свойств и характеристик, «жидкостная» 3D-печать проникает все глубже в различные сферы производства и прототипирования.
Не ограничиваясь только сферой ювелирных украшений, или стоматологии, фотополимерные 3D-принтеры находят себя в архитектурном макетировании, инженерном прототипировании, хобби, а также в автомобильной и сфере ремонта бытовой техники. Словом, в тех отраслях, где требуется особенная точность и качество поверхности.
Отлично зарекомендовав себя в начале становления аддитивного производства, фотополимерная печать продолжает удерживать пьедестал лидера по многим параметрам, среди других видов 3D-печати, уступая только промышленным системам спекания металлов и Селективному Лазерному Спеканию (SLS).
Что ж, а на этом у нас все! Спасибо что были с нами, до новых встреч. Дальше будет интереснее!
Приобрести указанные в статье 3D-принтеры, расходный материал к ним, задать свой вопрос, или отследить заказ, вы можете
Читайте также: