Термин 3D-печать

Термин 3D-печать имеет несколько синонимов, один из которых достаточно кратко и точно характеризует сущность процесса – «аддитивное производство», то есть производство за счет добавления материала. Термин был придуман не случайно, ибо в этом и состоит основное отличие множественных технологий 3D-печати от привычных методов промышленного производства, получивших в свою очередь название «субтрактивных технологий», то есть «отнимающих». Если при фрезеровке, шлифовке, резке и прочих схожих процедурах лишний материал удаляется с заготовки, то в случае с аддитивным производством материал постепенно добавляется до получения цельной модели.
В скором времени 3D-печать будет опробована даже на Международной космической станции
Строго говоря, многие традиционные методы можно было бы отнести к «аддитивным» в широком смысле этого слова – например, литье или клепку. Однако стоит иметь в виду, что в этих случаях либо требуется расход материалов на изготовление специфических инструментов, занятых в производстве конкретных деталей (как в случае с литьем), либо весь процесс сводится к соединению уже готовых деталей (сварке, клепке и пр.). Для того чтобы технология классифицировалась как «3D-печать», необходимо построение конечного продукта из сырья, а не заготовок, а формирование объектов должно быть произвольным – то есть без использования форм. Последнее означает, что аддитивное производство требует программной составляющей. Грубо говоря, аддитивное производство требует управления с помощью компьютеров, чтобы форму конечных изделий можно было определять за счет построения цифровых моделей. Именно этот фактор и задержал широкое распространение 3D-печати до того момента, когда числовое программное управление и 3D-проектирование стали общедоступными и высокопроизводительными.

Технологии

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания («выращивания») твёрдого объекта.

Виды технологии, применяемые для создания слоёв [1] [2] [3]

Тип Технология Печать несколькими материалами одновременно Цветная печать Описание
Экструзия Моделирование методом наплавления (англ. fused deposition modeling, FDM) возможно возможна Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта
Робокастинг (Robocasting или direct ink writing, DIW) возможно возможна «Чернила» (обычно керамический шлам) выходят из сопла в жидком состоянии, но сразу же принимают нужную форму благодаря псевдопластичности.
Фотополимеризация Лазерная стереолитография (laser stereolithography, SLA) невозможно невозможна Ультрафиолетовый лазер засвечивает жидкий фотополимер (через фотошаблон, или постепенно, пиксель за пикселем)
SLA-DLP невозможно невозможна Ультрафиолетовый DLP засвечивает фотополимер
SLA-LCD невозможно невозможна Светодиодная ультрафиолетовая матрица засвечивает фотополимер через маску ЖК-экрана (LCD)
Формирование слоя на выровненном слое порошка 3D Printing, 3DP невозможно возможна склеивание порошка путём нанесения жидкого клея с помощью струйной печати
Электронно-лучевая плавка (electron-beam melting, EBM) невозможно невозможна плавление металлического порошка электронным лучом в вакууме
Селективное лазерное спекание (selective laser sintering, SLS) невозможно невозможна плавление порошка под действием лазерного излучения
Прямое лазерное спекание металла (direct metal laser sintering, DMLS невозможно невозможна плавление металлического порошка под действием лазерного излучения
Выборочное тепловое спекание (selective heat sintering, SHS) невозможно невозможна плавление порошка нагревательной головкой
Подача проволочного материала Электронно-лучевое производство изделий свободной формы (electron beam freeform fabrication, EBF), электронно-лучевое аддитивное производство (Electron-beam additive manufacturing, EBAM) возможно возможна плавление подаваемого проволочного материала под действием электронного излучения
Ламинирование Изготовление объектов с использованием ламинирования (laminated object manufacturing, LOM) возможно возможна деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер (или режущий инструмент) вырезает в каждом контуре сечения будущей детали
Точечная подача порошка Прямая лазерная наплавка, прямая электронная наплавка (Directed Energy Deposition) возможно возможна подаваемый порошок плавится под действием лазерного или электронного луча
Струйная печать Метод многоструйного моделирования (Multi Jet modeling, MJM) возможно возможна рабочий материал наносится с помощью струйной печати

Замечания:

  1. Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей [4] .
  2. Биопринтеры — экспериментальные установки, в которых печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится каплями, содержащими живые клетки [5] . Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта. В 2013 году китайские учёные начали печатать уши, печень и почки — из живой ткани. Исследователи Ханчжоу Dianzi университета разработали 3D-биопринтер, названный «Regenovo». Сюй Минген, разработчик Regenovo, прогнозировал тогда, что полностью функциональные печатные органы, вероятно, будут созданы в течение ближайших десяти-двадцати лет [6] [7] . В том же году исследователи из университета Хассельт в Бельгии успешно напечатал новую челюсть для 83-летней бельгийки [8] . В начале 2016 года вице-президент центра «Сколково» Кирилл Каем сообщил: «щитовидная железа, напечатанная на российском 3D-принтере…, имплантирована и успешно функционирует в организме лабораторной мыши… Они собираются печатать и другие органы, идет речь про почку, про печень. Пока все это лабораторный уровень, но это позволит и саму машину развивать» [9] .

Также применяются различные технологии позиционирования печатающей головки:

  • Декартова, когда в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели.
  • При помощи трёх параллелограммов, когда три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке (см. статью Дельта-робот).
  • Автономная, когда печатающая головка размещена на собственном шасси, и эта конструкция передвигается целиком за счёт какого-либо движителя, приводящего шасси в движение [10] .
  • 3D-принтер с вращающимся столиком — использование на одной (или нескольких) осях вращения вместо линейного передвижения.
  • Ручная, когда печатающая головка выполнена в виде ручки/карандаша, и пользователь сам подносит её в то место пространства, куда считает нужным добавить выделяемый из наконечника быстро затвердевающий материал. Назван такой прибор «3D-ручка», и к 3D-принтерам может быть отнесён с известной натяжкой. Существуют варианты с использованием термополимера, застывающего при охлаждении, и с использованием фотополимера, отверждаемого ультрафиолетом [11] .

Методы 3D-печати

Технологий 3D-печати существует великое множество, названий же для них еще больше ввиду патентных ограничений. Тем не менее, можно попробовать разделить технологии по основным направлениям:

Экструзионная печать

Сюда входят такие методы, как послойное наплавление (FDM) и многоструйная печать (MJM). В основе этого метода лежит выдавливание (экструзия) расходного материала с последовательным формированием готового изделия. Как правило, расходные материалы состоят из термопластиков, либо композитных материалов на их основе.

Плавка, спекание или склеивание

Этот подход основывается на соединении порошкового материала в единое целое. Формирование производится разными способами. Наиболее простым является склеивание, как в случае со струйной трехмерной печатью (3DP). Подобные принтеры наносят на рабочую платформу тонкие слои порошка, которые затем выборочно склеиваются связующим материалом. Порошки могут состоять из практически любого материала, который можно измельчить до состояния пудры – пластика, древесины, металла.
Эта модель автомобиля Aston Martin, принадлежавшего Джеймсу Бонду, была успешно напечатана на SLS-принтере компании Voxeljet и не менее успешно взорвана во время съемок фильма «Координаты Скайфолл» вместо дорогого оригинала
Наиболее популярными же в данной категории стали технологии лазерного спекания (SLS и DMLS) и плавки (SLM), позволяющие создавать цельнометаллические детали. Как и в случае со струйной трехмерной печатью, эти устройства наносят тонкие слои порошка, но материал не склеивается, а спекается или плавится с помощью лазера. Лазерное спекание (SLS) применяется для работы как с пластиковыми, так и с металлическими порошками, хотя металлические гранулы обычно имеют более легкоплавкую оболочку, а после печати дополнительно спекаются в специальных печах. DMLS – вариант SLS установок с более мощными лазерами, позволяющими спекать непосредственно металлические порошки без добавок. SLM-принтеры предусматривают уже не просто спекание частиц, а их полную плавку, что позволяет создавать монолитные модели, не страдающие от относительной хрупкости, вызываемой пористостью структуры. Как правило, принтеры для работы с металлическими порошками оснащаются вакуумными рабочими камерами, либо замещают воздух инертными газами. Подобное усложнение конструкции вызывается необходимостью работы с металлами и сплавами, подверженными оксидации – например, с титаном.

Стереолитография

Схема работы SLA-принтера
Стереолитографические принтеры используют специальные жидкие материалы, называемые «фотополимерными смолами». Термин «фотополимеризация» указывает на способность материала затвердевать под воздействием света. Как правило, такие материалы реагируют на облучение ультрафиолетом.
Смола заливается в специальный контейнер с подвижной платформой, которая устанавливается в позиции возле поверхности жидкости. Слой смолы, покрывающий платформу, соответствует одному слою цифровой модели. Затем тонкий слой смолы обрабатывается лазерным лучом, затвердевая в точках соприкосновения. По окончании засветки платформа вместе с готовым слоем погружаются на толщину следующего слоя, и засветка производится вновь.

Ламинирование

Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)
Некоторые 3D-принтеры выстраивают модели, используя листовые материалы – бумагу, фольгу, пластиковую пленку.
Слои материала наклеиваются друг на друга и обрезаются по контурам цифровой модели с помощью лазера или лезвия.
Такие установки хорошо подходят для макетирования и могут использовать очень дешевые расходные материалы, включая обычную офисную бумагу. Тем не менее, сложность и шумность таких принтеров, вкупе с ограниченными возможностями изготовляемых моделей ограничивают их популярность.
Наиболее популярными методами 3D-печати, применяемыми в быту и в офисных условиях стали моделирование методом послойного наплавления (FDM) и лазерная стереолитография (SLA).
Остановимся на этих технологиях поподробнее.

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».

Что такое 3d принтер?

В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость. Например, для создания 3D модели или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени — от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы — чертежи и схемы будущего изделия, которые всё равно не дают полного видения окончательного результата. В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства. 3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов. При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.

Напечатано на 3D принтере

3d-принтер состоит из:

  1. Корпус, играющий роль скелета для монтажа конструкционных элементов;
  2. Направляющие, осуществляющие сравнительно свободное перемещение печатающей головки в заданном пространстве;
  3. Печатающая головка (экструдер) – группа частей, которая выполняет подачу, нагрев и вытеснение ( экструзию ) расходного материала через сопло на рабочую поверхность;
  4. Шаговые двигатели– элементы конструкции 3д-принтера, отвечающие за равномерное перемещение печатающей головки в заданном пространстве;
  5. Рабочий стол– строительная платформа 3D-принтера, на которой и осуществляется непосредственное создание трёхмерного объекта;
  6. Электроника– набор элементов, отвечающий за управление и координацию действий принтера в процессе печати.

Экструдер (печатающая головка) 3d-принтера

Наиболее важный элемент конструкции данного вида оборудования. Экструдер 3д-принтера – это узел, который обеспечивает подачу расплавленного пластика в рабочую зону аппарата. На сегодняшний день уже имеется огромное количество различных конструкторских решений.

В частности, имеются образцы оборудования оснащенные сменными соплами различного диаметра. Также есть варианты принтеров с двумя экструдерами в конструкции. Такие образцы способные печатать двумя цветами или осуществлять печать поддержек растворяемым пластиком PVA или HIPS.

Обслуживание экструдера 3д-принтера состоит в его очистке снаружи от налипших в процессе печати кусочков пластика. Иногда, обычно при работе с некачественными расходными материалами, сопло экструдера может довольно сильно засоряться – в этом случае приходится проводить его чистку.

Рабочий стол 3д-принтера

Стол может быть как нагреваемым, так и без такового. Для калибровки стола применяются либо автоматические приводы (автоматическая калибровка) или подпружиненные болты (ручная регулировка). Покрыт обычно стеклом, хотя есть варианты 3д-принтеров и с перфорированной платформой. Для нагреваемого стола еще добавляется и нагреваемый элемент.

Обслуживание данного элемента конструкции заключается в его калибровке и регулярной чистке поверхности.

Электроника и управление

Плата управления может находиться в корпусе. Большинство 3d-принтеров имеют плату на основе RAMPS. Но есть и варианты со своими решениями. Обычно достаточно проверять работает ли кулер охлаждения (если он необходим в данной конструкции).

Что касается экрана управления 3д-принтером, то он, следует отметить, присутствует отнюдь не на всех моделях данной категории оборудования. Обычно он есть там, где есть возможность печатать с SD карты.

Как происходит печать

Как это работает - изображение 17

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.

Виды 3D-принтеров и принцип их работы

3D-принтеры используются для создания объемных моделей посредством наложения определенного материала в несколько слоев. Объект вырастает слой за слоем. Принцип послойного наращивания получил название «аддитивные технологии». В качестве образца используется трехмерная цифровая модель. Сегодня существует множество видов 3D-принтеров. Они могут отличаться принципом работы, размером печатаемой области, а также габаритами.

3D-принтеры порошкового типа

Используется принцип порошковой печати. Порошок наносится на поверхность, далее его расплавляет лазер или растворитель, так наращиваются слои создаваемой модели. Главное преимущество такого оборудование заключается в том, что порошковый принтер может работать с обширным спектром веществ и материалов, например с металлом, гипсом или стеклом. Получаемые модели могут быть полноцветными. Эти принтеры достаточно дороги и требовательны к обслуживанию.

Цена на такие модели начинается от 600 000 рублей. Их приобретают конструкторские бюро или крупные дизайн-студии.

3D-принтеры на основе стереолитографии (SLA)

Основной принцип работы — лазерная печать. В качестве базового материала для печати может использоваться светочувствительная смола. Под воздействием специального лазера или цифрового проектора первый слой смолы затвердевает и после этого наращивается следующий слой. Эти этапы повторяются до тех пор, пока модель не будет завершена. К преимуществам стоит отнести идеально гладкую печать и минимальную толщину слоев. Недостатком является ограниченная площадь (из-за узкого потока света) и низкая скорость печати. Такая печать нередко применяется в ювелирной сфере, где размеры итоговых изделий не очень большие. Цена на такое оборудование начинается от 100 000 рублей.

профессиональный 3D-принтер

3D-принтеры профессионального направления (FDM)

Используют технологию FDM-печати. Характеризуются дополнительным функциональным потенциалом, к примеру, могут эффективно работать с минимальными по толщине слоями пластиковой нити или автономно. У таких принтеров по два экструдера и большая печатная область, по сравнению с бытовыми. Изделия получаются гладкими. Цена устройств начинается от 100 000 рублей.

3D-принтеры базового направления (FDM)

Доступный по цене вариант оборудования. Конструкция более простая, чем у вышеописанных. Принцип работы основан на послойном наплавлении пластиковой нити. Нить подается через одно сопло. Для таких принтеров характерна низкая скорость печати и небольшая рабочая область. Для работы применяется широкий спектр распространенных видов пластика. Цена на такие принтеры гораздо более демократична и начинается от 13 000 рублей

Основные характеристики

При выборе принтера ориентируйтесь на три вещи: бюджет, сфера эксплуатации и технические характеристики. С первым определяйтесь самостоятельно, с остальным мы поможем.

Область печати Максимальные габариты прототипа по трем направлениям, которые распечатает принтер. Реже указывается в кубическим сантиметрах, что менее информативно для потенциального клиента. Обычно область на несколько процентов меньше указанных значений.
Расширение Под расширением понимают минимальную толщину слоя материала. Чем ниже, тем качественнее модель, ровнее поверхность, менее нуждается в минимальной постобработке. В дорогих принтерах толщина наносимого слоя выставляется оператором.
Экструдер Экструдер или печатающая головка  подготавливает (плавит) и наносит жидкий материал на подложку (модель). Состоит из сопла, откуда подается расплавленный пластик, транспортер для подачи полимерной нити, термодатчик для контроля за температурой и охлаждающий механизм. Модели с двумя-тремя экструдерами печатают цветные прототипы. Промышленные принтеры выпускаются и с двойным соплом.
Способы подключения Трехмерные принтеры коннектятся к компьютерам и ноутбукам через классический USB или по беспроводной линии связи Wi-Fi.
Встроенное программное обеспечение Микропрограмма – интерпретирует команды операционной системы и реализует их – «сообщает» принтеру, что нужно делать, чтобы напечатать трехмерную модель.

Как выбрать 3d принтер: обзор лучших бюджетных моделей.

Для чего нужен

В одних сферах человеческой деятельности трехмерная печать упростила и ускорила работу, в других – открыла новые возможности. Основные сферы применения:

  • В быту или образовании используется в качестве средства для проведения экспериментов, создания механизмов.
  • В инженерии и разработке — для создания прототипов или экспериментальных образцов.
  • В производстве — для печати полимерных деталей со сложной геометрической формой, создания форм для литья легкоплавких материалов.
  • В строительстве — габаритные принтеры за считаные часы печатают здания из компаунда на основе бетона, широко применяются для возведения временных конструкций жилья.
  • Пищевая промышленность использует их для создания элементов украшения для тортов и кондитерских изделий.
  • В архитектуре — для печати макетов зданий, сооружений и целых микрорайонов.
  • Мелкосерийное производство деталей, статуэток, сувенирной продукции.
  • 3д в медицине – это точные копии органов и частей тела для экспериментирования, обучения, протезирования.

Из чего создаются изделия

Вещество-основа может различаться. Самый популярный и начальный элемент – это фотополимер. Он легок в обращении, имеет низкую температуру плавления и удобен на стадии последующей обработки – шлифовки. На его замену пришел термопластик (видов ABS и PLA) – усовершенствованный материал с рядом преимуществ, в частности, он более безопасный и экологически чистый.

все о 3д принтерах

Также могут использоваться:

  • нейлон – высокая прочность и износостойкость;
  • поликарбонат – широкий спектр комфортных для изделия температур от -100 до +115 градусов;
  • полиэтилен;
  • поливиниловый спирт – быстро схватывается, но растворяется при соприкосновении с водой;
  • целлюлоза;
  • полипропилен – нетоксичный и недорогой;
  • флекс – очень гибкий и эластичный;
  • HIPS – удобен при необходимости многоуровневых конструкций со сложными спайками и поддержками;
  • glassfil – прозрачный и невосприимчивый к ультрафиолету, механическим воздействиям и бактерицидной атаке, поэтому часто применяется в медицине;
  • керамический состав – содержит только частицы керамики, но при печати создает эффект камня;

как работать на 3d принтере

  • PVA – быстрорастворяемый полимер, который подходит для временного склеивания элементов конструкции;
  • PVD – тонкий пластик, который подходит для упаковочной вентилируемой продукции;
  • PETG – полупрозрачный материал, образующий красивую глянцевую поверхность, подходит для элементов декора;
  • полиоксиметилен – прочный как металл, но удобный в обращении и легкий;
  • WOOD – достоверная имитация дерева с сохранением свойств материала-оригинала, то есть с сильными влаговпитывающими характеристиками;
  • ABS Antistatic – обычный полимер с эффектом антистатика для изоляции от электричества;
  • GLOW – люминесцентное вещество, способное впитывать и отдавать свет;
  • металл – состав содержит в себе элементы бронзы, алюминия и других веществ, на выходе предмет, напоминающий настоящее металлическое изделие.

как работать на 3д принтере
по программам для проектированияФОРУМпо программе ZWCADБАЗА ЗНАНИЙ

Как запрограммировать 3D-принтер

Краткая инструкция по настройке принтера:

  1. Выбрать 3D-модель. Изделие можно нарисовать самому в специальном CAD-редакторе или найти готовый чертеж — в интернете полно моделей разной сложности.
  2. 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. 
  3. Передать модель принтеру. Из слайсера 3D-чертеж сохраняется в файл под названием G-code. Компьютер загружает файл в принтер и запускает 3д-печать.
  4. Наблюдать за печатью.

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.

Насколько функциональны печатаемые изделия?

Скажем так: все зависит от качества процесса и используемого пластика. На домашнем 3D-принтере вполне реально печатать рабочие шестеренки для самодельных роботов или пластиковые корпуса для электронных гаджетов. Матерым инженерам-любителям даже доступны прочные пластиковые композиты с углеволоконными добавками. Само собой, сувениры, игрушки или новая ручка для сковородки не составят никаких проблем. Самое же замечательное то, что у вас появиться возможность создавать уникальные изделия или ремонтировать вещи, давно снятые с производства. Себестоимость одной детали, как правило, будет выше, чем у ширпотреба, но и здесь бывают исключения. Хотя бы те же защитные кожухи для смартфона: 50-граммовый 3D-печатный чехол из ABS-пластика хорошего качества обойдется примерно в 50 рублей, плюс небольшие затраты на электричество, а аналогичный кейс с витрины будет стоить в 5-10 раз дороже.
Производство настольных 3D-принтеров уже вовсю налажено в России, причем отечественные аналоги ничем не хуже западных вариантов, и это не пустые слова. Полного замещения комплектующих пока никому из отечественных производителей добиться не удалось, но готовые продукты дешевле западных конкурентов и не уступают им по характеристикам или качеству печати, а за сервисным обслуживанием не придется далеко бегать. Помимо FDM-принтеров существуют и машины, работающие с жидкими смолами, отверждаемыми светом, пластиковыми и металлическими порошками, спекаемыми лазерами, и даже устройства, изготавливающие высокоточные трехмерные модели из листов обычной бумаги, но это уже отдельная история.

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.

Здоровье и безопасность

Выбросы и процессы углеродных наночастиц с использованием порошковых металлов являются высокогорючими и повышают риск взрыва пыли.

Был отмечен, по крайней мере, один случай серьёзной травмы из-за взрыва, связанного с металлическими порошками, используемыми для печати с плавленной нитью.

Другие общие проблемы охраны здоровья и безопасности включают горячую поверхность УФ-ламп и блоков печатающих головок, высокое напряжение, ультрафиолетовое излучение от УФ-ламп и возможность получения повреждений механическими движущимися частями.

Проблемы, отмеченные в отчёте NIOSH, были уменьшены за счёт использования покрытых изготовителем крышек и полных корпусов с использованием надлежащей вентиляции, удержания работников от принтера, использования респираторов, выключения принтера, если он застрял, и использования более дешёвых эмиссионных принтеров и нитей. Был отмечен минимум один случай тяжёлой травмы из-за взрыва, связанного с металлическими порошками, используемыми для расплавленной нити. Было установлено, что индивидуальное защитное оборудование является наименее желательным методом контроля с рекомендацией использовать его только для дополнительной защиты в сочетании с утверждённой защитой от выбросов.

Опасности для здоровья и безопасности также существуют в результате последующей обработки, выполняемой для отделки деталей после их печати. Эти операции после обработки могут включать химические ванны, шлифование, полировку или пар, позволяющие улучшить чистоту поверхности, а также общие методы вычитания, такие как сверление, фрезерование или поворот, чтобы изменить печатную геометрию. Любая техника, которая удаляет материал из печатной части, может создавать частицы, которые могут вдыхаться или вызывать повреждение глаз, если не используется надлежащее личное защитное оборудование, например респираторы или защитные очки. Каустические ванны часто используются для растворения материала носителя, используемого некоторыми 3D-принтерами, что позволяет им печатать более сложные формы. Эти ванны нуждаются в средствах индивидуальной защиты, чтобы предотвратить повреждение кожи.

Заключение

Ну вот мы и разобрались, какие принтеры бывают, что они есть такое и с чем их едят и поэтапно рассмотрели процесс самой печати на примере двух видов принтеров.

Если после прочтения у вас появилось желание узнать об этом побольше, а может быть даже самому приобрести 3D-принтер и на собственном опыте пройти каждый шаг по воплощению идеи предмета в физическую модель – это прекрасно! Конечно, можно подумать, что всё это так далеко от вас и кажется чем-то невероятным – это неправда. В наше время приобрести 3D-принтер и начать печатать намного проще,

Просмотрите видео на эту тему, почитайте статьи. Для начала можно приобрести бюджетный вариант, для обучения и первых шагов в сфере 3D-печати этого будет достаточно.

Загляните на форумы по 3D-печати. Даже профессионалы пользуются таковыми для решения проблем, нахождения новых способов решения задач и просто общения. Возможно вы поймете, что это то самое хобби, которое вам хотелось приобрести в течение жизни!

Ну и помните: нет преград для движущегося вперёд. Успехов в пути!

Источники

  • https://3dtoday.ru/wiki/3dprint_basics/
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80
  • https://gb.ru/posts/how_3d_printing_works
  • https://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-pechat/
  • https://mplast.by/encyklopedia/3d-printer/
  • https://principraboty.ru/princip-raboty-3d-printera/
  • https://club.dns-shop.ru/blog/t-297-3d-printeryi/20030-primenenie-3d-printera-v-byitu/
  • https://printeru.info/poleznoe/chto-takoe-3d-printer
  • https://www.zwsoft.ru/stati/3d-printer-chto-eto-takoe-i-kak-rabotaet
  • https://3dtoday.ru/wiki/3Dprinter/
  • https://thecode.media/3d-print/
  • https://CvetMir3D.ru/blog/poleznoe/kak-rabotaet-3d-printer/

[свернуть]