Напечатать простую детскую игрушку, чехол для смартфона, прототип будущего изделия из металла или пластиковую деталь –  все это стало реальным с появлением 3D-печати. Если вы слышали о ней, но не до конца понимаете принципы работы 3D-принтера или его возможности, эта статья для вас.

Трехмерная печать позволяет создавать прототипы – пробные образцы и концептуальные модели, сувениры и рекламную продукцию, предметы домашнего быта. 3D-изделия, напечатанные на соответствующем принтере, уже используются в медицине и военной промышленности, туризме и образовании. То, что раньше казалось невыполнимым, стало близким и доступным рядовым пользователям. Простейший 3D-принтер сегодня можно собрать самостоятельно или купить готовое печатающее устройство для дома или небольшого бизнеса. Заинтересовались? Тогда начнем с азов 3D-печати.

 

Как появилась 3D-печать

«Отцом» 3D-печати считается Чарльз Хулл, который в 1984-м разработал, а в 1986-м году запатентовал «стереолитографию» (SLA). Этим термином называют технологию аддитивного производства из жидких фотополимерных смол.

Аддитивным называется производство, при котором модель создается по принципу добавления материалов (add с английского переводится как «добавлять»). Простейший пример – лепка скульптуры. А теперь сравните аддитивное производство с другими его видами:

  • создание или выливание объекта из сыпучих или жидких материалов. Обычно это серийные товары, в выпуске которых используется специальная форма – клише. Так создают большинство пластиковых деталей – от игрушек до запчастей. Для маленькой партии продукции этот способ производства будет экономически невыгодным;
  • вырезание нового объекта из заготовки. В качестве примера можно привести изготовление игрушки из деревянного бруска. Недостаток этого способа – перерасход исходного материала и потребность в большом количестве энергоресурсов.

Следом за стереолитографией с легкой руки Скотта Крампа появилась FDM-технология. Именно ее используют многие современные 3D-принтеры для мелкосерийного производства. Сам термин «3D-печать» начали массово использовать только в 1995 году, а популярным его сделали студенты Массачусетского технологического института. Устройства для трехмерной печати – 3D-принтеры – получили свое теперешнее название после выхода в массовое производство устройства Actua 2100. Кстати, оно было выпущено компанией 3D Systems, которую основал тот самый Чарльз Хулл.

Преимущества 3D-печати

  • Точность и скорость изготовления изделий. В SLA-моделях точность достигает нескольких микрон, а в сравнении с остальными технологиями печати можно сэкономить до 50% времени на создание одной и той же детали.
  • Отсутствие форм и заготовок. Все объекты изготавливаются с нуля, на основе трехмерной компьютерной модели, которую легко изменить в компьютерной программе.
  • Минимальный перерасход материалов. Вам не придется обрезать излишки или перерабатывать материалы заново.
  • Большое разнообразие материалов. Доступны десятки видов пластиков, а также металл, дерево, керамика и другие экзотические материалы, измельченные до состояния пудры.
  • Низкое влияние человеческого фактора. Благодаря полной автоматизации процесса вероятность ошибки при правильной настройке принтера будет минимальной.
  • Низкая себестоимость готовой продукции. Стоимость 3D-принтеров постепенно снижается, цены на термопластики остаются доступными уже несколько лет, а электроэнергии принтер потребляет не больше, чем среднестатистический бытовой прибор.

Виды 3D-печати

Наряду со стереолитографией существует несколько других технологий трехмерной печати. Остановимся на них подробнее.

Экструзионная печать

За этим способом создания трехмерных объектов скрывается послойное наплавление (FDM) и многоструйная печать (MJM). Принцип печати следующий: исходный материал выдавливается (это и есть экструзия), а из получившейся массы формируется готовый объект. В этом случае используются термопластики или композитные материалы на их основе.

Спекание, склеивание и плавка

Все эти методы требуют использования порошкового материала, причем это может быть не только пластик, но и дерево или металл. Технологии лазерного спекания (SLS и DMLS) позволяют с помощью спекания создавать даже цельнометаллические детали! А в принтерах SLM-типа происходит не просто спекание, а полноценная плавка материала – так создаются монолитные и совершенно не хрупкие изделия.

Дополнением к 3D-принтеру может стать 3D-сканер. Он анализирует готовый физический объект и создает его трехмерную модель, которую затем можно отредактировать в САПР или напечатать на ее основе аналогичный объект на 3D-принтере.

 

Ламинирование

Не самая распространенная технология, но тоже достойная вашего внимания. Здесь готовая модель появляется благодаря постепенному наслаиванию тонких материалов – бумаги, фольги или пластиковой пленки. Слои склеиваются, а затем обрезаются по контуру цифровой 3D-модели лазером или лезвием.

 

Как работают популярные FDM-принтеры

Мы подробнее остановимся на этих типах 3D-принтеров, так как именно они обеспечивают самое доступное построение трехмерных моделей.

Материалы для печати

Послойное наплавление в FDM-печати стало популярным благодаря плавному снижению стоимости печатных устройств этого типа. В качестве расходного материала здесь используется широкая группа термопластиков, которые в виде тонких нитей намотаны на катушки. PLA-пластик можно назвать полностью натуральным, так как в основе лежит растительное сырье – кукуруза или сахарный тростник. Он нетоксичный, но и недолговечный. ABS-пластик, наоборот – чистая «химия», но он более износоустойчивый и долговечный. Однако при нагревании и под воздействием прямых солнечных лучей он выделяет токсичные вещества. Кстати, вы хорошо знакомы с ABS-пластиком: из него изготавливают игрушки, корпуса бытовой техники и запчасти к ней, сантехнические аксессуары. Практикуют печать нитями из нейлона, полиэтилена, поликарбоната, а также композитными материалами, которыми внешним видом напоминают дерево, металл или камень. Правда, в последних все равно используются термопластики, но только как связующий материал.

3D-печать не всегда использовалась во благо человечества. Несколько лет назад компания Defense Distributed разработала модель пластмассового пистолета, скачать и распечатать который мог каждый желающий. К счастью, Госдепартамент США быстро запретил эту разработку и потребовал удалить с сайта производителя все инструкции и схемы. Позже запрет на печать, владение и распространение огнестрельного оружия был закреплен на законодательном уровне.

 

Принцип работы 3D-принтера

Основной элемент – печатная головка, экструдер. Именно в него подается и плавится та самая нить из катушки. Диаметр расплавленной нити напрямую зависит от диаметра сопла, через который выходит материал. Оператору необходимо добиться оптимальной температуры плавления, используя для этого термистор. Температура влияет на качество всей работы: если вы перегреете материал, пластик начнет разлагаться, если нагреете плохо – он не будет достаточно пластичным.

В одном принтере может быть один или несколько экструдеров. Если требуется напечатать сложную деталь с большим количеством полостей, используют водорастворимый поливиниловый PVA-пластик, который при печати заполняет те самые полости. Этот пластик подают из вспомогательного экструдера, а затем готовое изделие промывают водой.

FDM-принтеры не умеют печатать объекты без опоры, поэтому у готового изделия обязательно будет плоское основание, которое устанавливается на платформу со съемным столиком. Так намного проще чистить рабочую поверхность и снимать модель с платформы – меньше шансов ее повредить.

Как управлять 3D-принтером

Как принтер знает, что именно и как ему печатать? Для этого используются электронные контроллеры. Они регулируют температуру материала, отвечают за легкий подогрев платформы, скорость подачи нити и все остальные операции. Обычно контроллеры работают на популярной платформе Arduino с открытой архитектурой – это значит, что создать управляющие компоненты может любой желающий. Перечень команд для принтера задается с помощью программного кода G-Code. При этом одним принтерам требуется только «родное» ПО, а другие могут использовать разработки сторонних компаний.

Если перед вами самый простой 3D-принтер, то, скорее всего, у него есть только USB-порт для подключения к компьютеру. Продвинутые модели, наоборот, полностью автономные, в комплекте с ними идет все необходимое для управления работой.

 

Немного о SLA-принтерах

В начале статьи упоминалось о том, что открытие SLA-технологии предшествовало появлению трехмерной печати, но она остается востребованной до сих пор! Лазерная стереолитография – второй по популярности метод создания 3D-объектов. Ее главный плюс – высокая, до нескольких микрон, точность готового изделия. В программном плане SLA и FDM печать очень похожи, но принципы построения моделей все-таки отличаются.

Начнем с того, что в SLA-устройствах используются вовсе не лазеры (хотя иногда и они тоже), а более доступные и надежные ультрафиолетовые LED-проекторы. Расходным материалом служит фотополимерная смола, аналог эпоксидной. Смола последовательно заливается тонкими слоями и плавно погружается в кювету – специальную емкость – с фотополимером. Окончательное затвердевание происходит при облучении лазером или проектором. Затем модель вынимается из ванны и еще раз засвечивается. В некоторых принтерах действует обратный протокол: объект не погружается в кювету, а постепенно вытягивается из нее.

Материалы для SLA-принтеров очень дорогие, хотя и разнообразные. Поэтому стоимость печати сложно назвать доступной. Почему тогда эта технология так важна? Высока вероятность, что с результатами SLA-печати вам когда-то придется столкнуться лично. Например, вы захотите сделать ювелирное изделие по индивидуальному заказу – и мастер изготовит прототип именно на таком принтере. Или захотите установить зубной имплант – и стоматолог напечатает точную модель зуба на SLA-устройстве.

Интересная особенность некоторых 3D-принтеров – способность к воспроизведению. Это значит, что на них легко напечатать некоторые их собственные детали. Первый подобный продукт – RedRap – мог воспроизводить более 50% деталей, необходимых для его сборки!

 

Где взять модели для 3D-принтера

Найти готовые 3D-модели можно на специализированных сайтах.

  • Thingiverse – сайт компании MakerBot Industries, производителя 3D-принтеров Replicator. «Умная» система изучит ваши интересы, чтобы со временем предлагать наиболее релевантные 3D-модели для скачивания.
  • 3dshook – большой выбор трехмерных моделей автомобилей и зданий, а также запчастей для 3D-принтеров;
  • YouMagine – сайт с моделями для потребительских принтеров серии Cube. Бесплатных моделей здесь меньше, чем на двух предыдущих, но есть интересные категории, в которых представлены модели для детей. .
  • Cults3d – французское сообщество (но английский язык тоже поддерживается), где часто выкладывают бесплатные 3D-модели.
  • Instructables – еще одно сообщество, где пользователи часто обмениваются готовыми проектами и делают подробные мануалы.

Если вы хотите быстро найти определенную 3D-модель, воспользуйтесь специализированной поисковой системой: yeggi.com, yobi3d.com или stlfinder.com. Все три поисковика поддерживают только англоязычные запросы.

Топ-5 заблуждений о трехмерной печати в домашних условиях

На 3D-принтере можно напечатать что угодно.

На самом деле, нет – разрешение печати, габариты поля печати и диаметр сопла принтера накладывают ограничения на размер деталей. Также деталь должна иметь плоское основание, иначе она быстро отклеится от поверхности рабочей площадки.

Легко печать сборные конструкции.

Гайку, которая накручивается на болт, напечатать реально, но не на домашнем принтере. Для этого требуется более высокая точность, которую обеспечивает только дорогое оборудование.

На принтере можно создать многоцветный объект.

Производители работают над этим, но на бюджетных принтерах это пока не реализовано. Для многоцветной (два и более цвета) печати требуется несколько печатных головок.

Модели, созданные на 3D-принтерах, очень хрупкие.

Да, они будут более податливыми, чем литые, но достаточно прочными для использования в быту. Здесь все зависит от того, куда будет приложено усилие: вдоль или поперек волокон (как в древесине).

Печатать просто – подключил принтер и работай!

Погодите, вначале его придется откалибровать, подобрать настройки и разобраться с управлением. Даже после этого может уйти несколько недель, прежде чем вы научитесь печатать аккуратные модели.

 

Если вы хотите приобрести 3D-принтер для дома, вам придется найти подходящую модель, научиться настраивать ее, разобраться с ПО и подобрать качественные материалы для печати. Но, уверены, результат вас порадует: вы сможете печатать пластиковую посуду и другую домашнюю утварь, аксессуары для волос, различные емкости для хранения, детские и канцтовары – практически все, что можно изготовить из пластика. А можно пойти еще дальше и узнать, как 3D-принтеры используются в военной и космической промышленности, в исследовательской деятельности и образовании, в производстве электроники и искусстве. Но это уже совсем другая история.

Поделиться