Сфера использования
3D-принтеры пока еще не проникли в каждый дом, но во всех ключевых сферах жизнедеятельности человека они уже присутствуют. 3D-печать востребована в автомобилестроении, энергетике, медицине, пищевой промышленности, строительстве/дизайне, фешен-индустрии.
В ресурсо- и трудоемких отраслях на разработку прототипа изделия уходят большие суммы. При использовании традиционных технологий литья или механической обработки для этого требуются недели, месяцы. Используя возможности объемной печати, работу выполняют в разы, а порой и десятки раз, оперативнее. При этом совершенно не страдает качество и параметры изделия остаются предельно точными. Кстати, прочность прототипа более чем на 20 % превышает аналогичную при классическом производстве.
В медицине возможности 3D-печати используют при проектировании зубных протезов, скелетов и даже внутренних органов. Аддитивные технологии позволяют создавать медицинский инструмент с определенными параметрами под конкретных пациентов с патологиями, анатомическими особенностями. Это позволяет сделать огромный шаг вперед в обучении и подготовке к операциям.
На 3Д-принтерах создают модели помещений с наглядной проработкой интерьеров, зданий и целых жилых кварталов с детализацией домов, инженерных коммуникаций, объектов инфраструктуры.
В сфере науки и образования польза от 3D-печати выражается в создании наглядных пособий, с которыми процесс обучения становится проще и эффективнее.
3D-печать востребована в мире моды. На принтере можно создать обувь, одежду, флаконы для парфюмерии. Пока этот процесс дорогостоящий, поэтому в массовом производстве не используется. Однако на подиумах штучные изделия, изготовленные на 3Д-принтерах, уже представлены.
Креативные босоножки, напечатанные на 3D-принтере
Преимущество внедрения AF-технологий в сферу легкой промышленности — возможность создавать изделия под конкретное телосложение/форму стопы. Это особенно актуально для спортсменов, людей с отклонениями анатомического строения. Например, дизайнер Росс Бербер представил миру обувь, напечатанную на 3Д-машине. Его коллекция насчитывает 5 пар.
3D-печать позволяет сделать прорыв в инновационной деятельности. Прежде чем наладить массовое производство изделия, прототип необходимо испытать, многократно протестировать. Это делают на трехмерных моделях. Создать их можно за считаные минуты.
Трехмерные технологии используются в ювелирном деле, при создании карт местности, изготовлении сувениров, кастомизации готовых изделий (нанесении узора, логотипа).
Слой за слоем: как работает 3D-принтер
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.
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.
- температура сопла;
- скорость подачи пластиковой нити;
- работа мотора.
Стоит ли покупать 3D-принтер
Я довольна покупкой, в нашей семье принтеру всегда найдется работа. Да, можно считать 3D-печать игрушкой, но сейчас она стала вполне доступной — принтер стоит как недорогой смартфон, а скорость печати все равно не позволит тратить больше пары килограммов пластика в месяц. Зато можно многое упорядочить и починить, не бегая по магазинам в поисках чего-то, отдаленно похожего на нужную вещь. Люди с развитыми художественными способностями могут напечатать на принтере почти что угодно: его возможности ограничены вашей фантазией и свойствами пластика.
Все напечатанные предметы получаются гладкими и приятными на ощупь. Приходится потратить примерно пять минут на то, чтобы убрать нижний слой пластика, который фиксирует предмет на столике и слегка выходит за габариты, но других особенностей у домашней 3D-печати нет.
Если сопло немного забилось и принтер стал печатать громче, с качеством могут быть проблемы, но все решается очисткой сопла. Не стоит ставить максимальную скорость и толщину слоя — печать будет неаккуратной. А в остальном никаких нюансов 3D-печати я пока не заметила.
Траты на 3D-печать — 35 532 Р
| Принтер Flying Bear Ghost 5 | 22 778 Р |
| Катушки с пластиком, 11 шт. | 10 118 Р |
| Штангенциркуль ГТО ШЦЦ-I-125 | 1750 Р |
| Изопропиловый спирт «Радонит», 1 л | 337 Р |
| Универсальный нож Gigant GWK 625 | 299 Р |
| Пинцет | 200 Р |
| Клей-карандаш | 50 Р |
Принтер Flying Bear Ghost 5
22 778 Р
Катушки с пластиком, 11 шт.
10 118 Р
Штангенциркуль ГТО ШЦЦ-I-125
1750 Р
Изопропиловый спирт «Радонит», 1 л
337 Р
Универсальный нож Gigant GWK 625
299 Р
Пинцет
200 Р
Клей-карандаш
50 Р
Сферы применения 3D-печати
3D-печать широко используется в различных областях, включая медицину, авиацию, автомобилестроение, искусство, дизайн, архитектуру и многое другое.
Остановимся на основных направлениях чуть более подробно:
- Медицина: 3D-печать используется для создания протезов, имплантов, моделей для планирования операций и для обучения врачей. Также используется для производства искусственных органов и тканей.
- Авиация: 3D-печать используется для создания деталей самолетов, включая компоненты конструкции и внутренние элементы.
- Автомобилестроение: 3D-печать используется для создания деталей автомобилей, таких как компоненты топливных систем и тормозные системы.
- Искусство и дизайн: 3D-печать используется для создания уникальных произведений искусства и дизайна, воплощая самые смелые идеи авторов.
Ключевое преимущество и потребительское свойство аддитивных технологий вообще и объемной печати в частности – это оперативная возможность материальной визуализации масштабируемых объектов, что открывает обширные возможности и ускоряет процессы реализации соответствующих проектов.
Послойное наплавление (FDM печать)
FDM печать предусматривает наплавление слой за слоем термопластичного материала, который прогревается в печатной головке до полужидкого состояния и нитью выдавливается на поверхность.
Преимущества FDM-печати:
- Высокая точность модели;
- Низкая стоимость;
- Скорость и производительность;
- Имеется возможность применения огромного выбора исходного сырья;
- Доступность технологии и оборудования даже для домашнего использования;
- Возможность создавать гибкие, мягкие, твердые, ударопрочные или, при использовании двухсопельной печати и водорастворимых поддержек, детали с со сложной внутренней геометрией.
Главный недостаток – так называемая «слоистость» или «полосатость» поверхности изделия, которая зависит от качества оборудования и тщательности подготовки управляющей программы/задания для принтера. Также напечатанные из некоторых материалов детали могут иметь меньшую прочность поперек слоев, чем вдоль, однако правильное расположение детали может нивелировать этот недостаток.
RepRap versus коммерция
RepRap не просто так называют предком большинства существующих FDM-принтеров, которые находятся в свободной продаже. Мы уже описали основные лейтмотивы этой, без преувеличения, семьи энтузиастов. За несколько лет было создано четыре поколения 3D-принтеров. Но до сих пор у сообщества нет централизованного канала продажи деталей.
Парадокс заключается в том, что RepRap практически вырастило несколько коммерческих предприятий, которые начали дистанцироваться от сообщества. Эти компании получают весьма большую долю обструкции среди энтузиастов, но, как известно, собака лает, а караван идет.
Одной из первых «отделившихся» является компания Makerbot Industries, специализирующаяся на домашних FDM-принтерах. За счет инвестиций извне (так, основатель Amazon Джефф Безос вложил в проект порядка 10 млн долларов США) фирме удалось хорошо раскрутиться. Компания выпустила четвертое поколение модели Replicator и не стала выкладывать чертежи в открытый доступ.
Ситуация между RepRap и Makerbot Industries, несомненно, имеет две стороны медали. Если бы глава компании Бре Петис (в прошлом активный деятель сообщества, между прочим) не дистанцировался от энтузиастов и не начал продавать свои решения, то, возможно, 3D-печать и не получила бы такую популярность, которую она имеет сейчас.
Автомобилестроение
Всего через несколько лет вы заметите, что из гаража вашего соседа каждый раз выезжает новая машина. Как такое может быть? Ответ прост: он их печатает. Производство запасных частей для автомобилей быстро стало одним из любимых направлений среди самодельщиков-печатников или «мейкеров». Стоит ли ждать доставки или рыскать по магазинам в поисках сломанной ручки или оторванного хулиганом украшения с капота, когда их можно напечатать? При этом напечатанные изделия обходятся в сущие копейки, тогда как запасные детали у дилеров могут стоить довольно дорого. Для печати же можно использовать АБС-пластик – тот самый, из которого изготавливается большинство пластиковых элементов отделки. Но на этом автомобильная карьера 3D-печати не закончилась.
Теперь над своей версией 3D-печатной машины работает даже Toyota.
Когда компания MarkForged представила специальный 3D-принтер, позволяющий печатать композитами из пластика и углеволокна, 3D-печатные детали стали появляться даже на болидах «Формулы-1». А американская компания Local Motors пошла еще дальше и создала автомобиль с 3D-печатным корпусом.
Основные технологии 3д-печати
Основные технологии 3D-печати:
- Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling (FDM) – это процесс создания объектов, состоящих из множества деталей, путем нагрева и плавления пластика, заливаемого в специальную форму,
- Стереолитография (Stereolithography (SLA) – это технология 3D-печати, которая позволяет создавать объекты, состоящие из множества отдельных слоев,
- Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS) – это технология, при которой на поверхность изделия наносится тончайший слой металла, благодаря которому изделие приобретает уникальные свойства. Например, становится более прочным или легким,
- Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting (EBM) – это один из методов 3D печати, который используется для производства металлических изделий.
Каждая из этих технологий имеет свои уникальные особенности, преимущества и ограничения.
Основный принцип работы
Если кратко, принтер для объёмной печати, независимо от типа используемого материала и применяемой технологии, работает по следующему принципу:
- 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.
Именно таким образом осуществляется 3D-печать и видео это иллюстрирует прекрасно. Детальный принцип работы оборудования будет определяться используемой технологией.
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.
Каждая отдельно взятая технология имеет свои характерные особенности, сферу применения и сложности. На некоторых стоит остановиться более подробно.
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.
Многоструйное моделирование
Данная технология разработана в компании 3D Systems. Она имеет очень много общего с технологией струйной печати. Особенность устройства и принцип работы этого 3D-принтера состоит в том, что здесь задействовано несколько (до нескольких сот) сопел, расположенных рядами на печатающей головке.
Чернила становятся жидкими посредством нагревания и после послойного нанесения на рабочую поверхность при комнатной температуре застывают. Головка перемещается в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение по мере формирования каждого нового слоя осуществляется за счет опускания рабочего стола.
Особенности 3D-печати
Те люди, которые хотят купить такое устройство себе домой, наверняка интересуются, где взять пластик для 3D-принтера? В данный момент расходные материалы можно свободно приобрести в любом магазине в крупных городах.
Различные пластики имеют различные составы, а значит, и особенности готового продукта различаются в зависимости от используемого материала. Какие виды пластика можно найти на рынке?
- Пластик ABS обладает наиболее высокой прочностью и весьма устойчив к ударам.
- PLA и Laywood наиболее экологичны. Их производят из натуральных материалов: кукурузы, сахарного тростника или древесины. После окончания срока службы продукция, изготовленная из такого материала, может быть переработана.
- WATSON известен своей полупрозрачной текстурой. Этот вид пластика очень любят использовать в тестовых моделях механизмов, когда нужно наблюдать за тем, какие процессы происходят внутри, например, автомобиля.
- Акрил или PMMA наиболее популярны, особенно в домашнем применении. Этот материал долговечен, прочен и неприхотлив.
Большое разнообразие пластика для 3D-принтеров позволяет выбрать состав, который подходит под конкретные цели.
Строительство
Правда, здания можно печатать уже сейчас. Строительных 3D-принтеров пока не много, но они уже демонстрируют интересные результаты. Суть процесса, как правило, сводится к послойной печати стен из специально сформулированной цементной смеси. Рецепт смеси очень важен, так как она должна достаточно быстро застывать, чтобы ее не раздавило следующими слоями. С другой стороны, слишком быстрое высыхание не позволит слоям схватываться друг с другом. Получаемые полые стенки служат своего рода несъемной опалубкой, в которую можно вставить утеплители, арматуру, провести коммуникации, а для пущей прочности залить оставшиеся полости бетоном и получить монолитную структуру. Преимущество такой технологии над привычной опалубкой заключается в возможности создавать всевозможные доселе немыслимые формы – округлые, спиральные и пр.
Хотели бы себе дом, напечатанный на 3D-принтере?
Прекрасным примером стали работы Андрея Руденко, напечатавшего миниатюрный замок на иллюстрации. Недавно Андрей взялся за совершенно серьезный проект, напечатав пристройку к гостиничному комплексу на Филиппинах. А сноровистые китайцы из компании WinSun уже успели напечатать пятиэтажное здание, хотя осуществили этот проект по частям, собирая напечатанные панели на месте строительства.
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.
Запчасти и детали. Иногда найти запчасть от какого-то инструмента сложно или почти невозможно: производитель их не выпускает или модель давно снята с производства. В этом случае можно найти в интернете трёхмерную модель нужной детали или нарисовать её самому в редакторе, чтобы потом отправить это на печать.
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.
Прочность детали
Помнить про слоистость или анизотропность материала: сломать деталь по слоям гораздо проще, чем поперек. Это нужно учитывать заранее, задавшись расположением 3D-модели на столе 3D-принтера.
Добавлять скругления. Ножка табуретки и столешница в месте стыка должны иметь скругленный угол. При этом, чем больше радиус скругления, тем прочнее ножка будет закреплена на столешнице. Аналогично для различных корпусных деталей. Моделируем коробку? Все прямые углы скругляем
При этом неважно, в какой они плоскости. Даже там, где нужен прямой угол, делаем радиус 0,5 мм
Принтер легче пройдет такой участок, чем нескругленный, не будет удара от резкой остановки экструдера, деталь не покачнется и прочие плюсы.
Толщина стенок и заполнение. Максимальная прочность при 100% заполнении — это факт, но если нужно облегчить деталь или сэкономить пластик, можно сделать в настройках печати гораздо большую толщину стенки, при этом заполнение выставить гораздо ниже. Это работает с деталями, имеющими отверстия под крепеж. При создании машинного кода для принтера абсолютно все внешние стенки толстые, поэтому крепеж будет окружен надежным толстым слоем пластика вашей детали.
Поддержка. Данный элемент влияет на прочность тем, что не всегда слои, опирающиеся на поддержку, идеальны по структуре. Это можно решать увеличением толщины стенки, заполнением, но лучше поддержку вообще не делать. Поддержка добавляется слайсером в зависимости от угла между стенкой детали и плоскостью стола. Часто по умолчанию стоит 60 градусов, иногда 45. Этот параметр подбирается экспериментально для каждого 3D-принтера. Проверить это можно с помощью специальных тестовых деталей. Например, https://www.thingiverse.com/thing:2806295 — не забудьте выключить поддержку, чтобы проверить реальное качество 3D-печати в её отсутствии. Например, вам нужно напечатать Т-образный соединитель для трубок. Литые изделия делают Т-образной формы. 3D-печать заставляет делать изделие L или даже ?-образным. Во втором случае можно даже избежать поддержки, а деталь будет прочнее из-за слоев, расположенных под углом 45 градусов к трубкам. Мы, в мастерской настроили слайсеры для каждой машины и спрашиваем клиента о прочностных требованиях, и, в зависимости от этого, выбираем 3D-принтер для печати.
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.
Украшения
А как насчет ненастоящего оружия? Такой вариант законом разрешен и вполне доступен даже на бытовых 3D-принтерах. Причем не только оружия, но и всевозможных доспехов, украшений и аксессуаров. Фанаты косплея создают самые красочные примеры, иллюстрирующие возможности 3D-печати – от светящихся «плазменных» мечей из популярной игры Halo до полноценных костюмов штурмовиков из «Звездных войн».
Зачем золото, когда есть такое?
Собственно, основатель компании MakerBot Бри Петтис продемонстрировал возможность 3D-печати крупногабаритных изделий с помощью 3D-принтера Replicator Z18 самым наглядным образом – надев напечатанный целиком шлем на голову перед аудиторией восторженных печатников.
Но с помощью 3D-печати можно создавать не только игрушечные украшения, но и самые настоящие. Ювелиры по всему миру все чаще прибегают к 3D-моделированию и печати заготовок, на основе которых изготавливаются формы для отливки украшений из драгоценных металлов. Для подобных проектов используются высокоточные стереолитографические принтеры, печатающие смолами, отвердевающими под воздействием лазеров или световых проекторов.
Нейлон
Печать нейлоном имеет много общего с печатью АВС-пластиком. Исключениями являются более высокая температура печати (около 320°С), высокая способность впитывать воду, более продолжительный период застывания, необходимость откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона. Нейлон – это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки, нейлон с успехом используют в 3D печати, так как детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АВС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.
Нейлоновая нить для 3D печати
Изделия из нейлона, напечатанные 3D принтером
3D-Принтеры
И наконец, с помощью 3D-принтеров можно печатать… 3D-принтеры! В среде мейкеров существует термин «RepRap», расшифровывающийся примерно как «самовоспроизводящийся 3D-принтер». На самом деле простейший 3D-принтер есть ни что иное, как станок с числовым программным управлением – набор направляющих, подшипников, креплений и печатающих головок, управляемых относительно простым компьютерным контроллером.
«Мы создали принтер, чтобы сделать 3D-принтер»
Многие из элементов конструкции (крепления, ножки, уголки и даже корпуса печатающих головок) изготавливаются из пластика, так почему бы не напечатать их на другом 3D-принтере? Именно этим и занимаются настоящие мейкеры, а многие из лидирующих компаний вроде MakerBot, Ultimaker или российского PICASO выросли именно из таких самодельных проектов и до сих пор используют 3D-печатные детали в конструкции своих фирменных принтеров.
По материалам 3Dtoday.ru
