13.12.2016 в 23:53

Как устроен 3D-принтер

Как устроен 3D-принтер

Технология объемной печати, впервые разработанная еще в 1984 году, в силу своей высокой стоимости, до недавнего времени была доступна ограниченному кругу компаний, а о частном использовании могли мечтать лишь единицы. К счастью, в последние годы ситуация кардинально поменялась и сегодня приобрести простой 3D-принтер можно за 25 000 рублей. Процесс изготовления моделей при таком способе в корне отличается от традиционных методов. 

При использовании токарных или фрезеровальных станков из болванки путем удаления ненужных частей вытачивается необходимая форма. Объемная же печать прямо противоположна ей и построена на послойном добавлении материала. Первый метод ведет к образованию существенного количества отходов, в то время, как второй их практически не имеет. Примечателен и тот факт, что для работы с 3D-принтером не требуется знания материалов или опыта его обработки, что делает доступным объемную печать даже для детей.


С активным прогрессом в этой области появилось огромное количество технологий для реализации идей, расширились и сферы применения. Помимо классического создания макетов из пластика, стекла или различных полимеров, возможно создание объектов из пищевых продуктов, например, шоколадная печать, печать быстросохнущим бетоном, позволяющая за сутки возводить целые здания и даже воссоздание при помощи биопринтеров, использующих стволовые клетки, различных органов человеческого тела. Вовсю используются 3D-принтеры при производстве геометрически сложных деталей техники, протезов, форм для литейного производства и многого другого. 

Технологии


Процесс объемной печати состоит из нескольких ключевых этапов: создание трехмерной модели, разделение на слои и сама печать. На сегодняшний день 3D-принтеры используют множество различных технологий, каждая из которых больше подходит для своих материалов и задач, но основные направления выделить, все же, можно:

  • Экструзия. Этот метод позволяет работать с расплавленным материалом, который через тонкое сопло послойно наносится на желаемую поверхность. Слои склеиваются между собой и при охлаждении затвердевают.
  • Фотополимеризация. Схожая технология, использующая жидкий фотополимер, становящийся твердым при облучении ультрафиолетом.
  • Лазерное спекание. Порошкообразный материал, тонко нанесенный на поверхность, спекается лазером, после чего процесс повторяется послойно необходимое количество раз.
  • Лазерная стереолитография. При этом способе, наоборот, ничего никуда не наносится, а сама заготовка погружается в жидкий фотополимер. На находящихся на поверхности участках при помощи лазера производится попиксельное засвечивание лазером, таким образом и происходит постепенное наслоение.
  • Ламинирование. Здесь слои наносятся не отдельными участками, а целыми пластинами, соответствующими по форме сечению будущей модели. Уложенные друг на друга пластины скрепляются нагревом или давлением.
  • Склеивание. Формирование итогового объекта производится из порошкообразной основы путем добавления клея, подаваемого из сопла.

Если говорить о недорогих моделях, предназначенных для домашнего использования, то почти все они основаны на технологии послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling), получившей наибольшее распространение из-за доступности как самих принтеров, так и расходных материалов, в качестве которых используются различные пластики. 

Материалы


PLA (полилактид) — наиболее популярный материал для FDM-печати, не в последнюю очередь благодаря своей органической основе. Сырьем для изготовления полилактида служат кукуруза или сахарный тростник, а сам он нетоксичен и биоразлагаем. Это делает его отличным вариантом для производства посуды, экологически чистой упаковки, средств личной гигиены и других требовательных к качеству материалов сферах применения. Он быстро застывает и устойчив к деформации.

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) — особо прочная техническая смола, изменяющая свою пластичность при температуре 210 – 270 °С. Благодаря существенно большей жесткости, изделия, получаемые из АБС, обладают противоударными свойствами и способны выдержать огромные нагрузки. Она производится из нефтепродуктов, долговечна, нетоксична, влаго- и термоустойчива, но не любит ультрафиолет, не допускает использования вместе с теплыми или горячими пищевыми продуктами. В общем, надежный материал для технического применения.

HIPS (ударопрочный полистирол) — крепкий твердый пластик, устойчивый к большинству внешних воздействий. Из-за существенно более высокой стоимости значительно проигрывает по популярности ABS.


Нейлон — легкий и гибкий материал с низким поверхностным трением и высокой устойчивостью к химическим веществам, но и цена его в два раза дороже PLA или ABS.

PC (поликарбонат) - основное сырье для трехмерной печати предметов, имитирующих стекло. Этот полимер обладает крепкой структурой и отлично пропускает свет, а из-за его абсолютной безопасности для здоровья может быть задействован даже при производстве контактных линз. Низкая востребованность обуславливает значительно более высокую, чем у лидеров рынка стоимость. Подобными свойствами обладает и PETT (полиэтилентерефталат).

PVA (ПВА) — это обычно PVAc (поливинилацетат) или PVAl (поливиниловый спирт). Оба они имеют схожие свойства, легко растворяются в воде. Первый более гигроскопичен и активно разлагается при повышении температуры до 200 °С, второй — всем известная составная часть эмульсии клея ПВА, но используемая в виде нити.

Существуют и регулярно разрабатываются оригинальные материалы, обладающие теми или иными свойствами, а также имитирующие встречающиеся в природе, например, древесину, камень или песчаник.

Конструкция


Доминирующие в недорогом сегменте FDM-принтеры, как в ряде более дорогих моделей, имеют конструкцию с перемещающимися платформой и экструдером (печатной головкой). Последняя несет в себе нагревательный элемент, воздействующий на подаваемую из сопла нить, которая в расплавленном виде наслаивается на платформу. Помимо моторов для подачи нити и направляющих для перемещения платформы с заготовкой и головки, никаких жизненно важных элементов принтер не несет. Управляющая электроника, как правило, вынесена в виде отдельного блока, поэтому варианты исполнения подобного устройства могут отличаться в достаточно широких пределах.

Выбирая подходящий вариант, стоит учитывать такой параметр, как минимальная толщина слоя, напрямую влияющий на разрешение. Чтобы добиться хорошего качества итогового изделия, желательно, чтобы этот показатель находился в диапазоне от 50 до 200 микрон. Различается и размер рабочего пространства, от которого зависит размер получаемой модели. 

Другие характеристики, на которые имеет смысл обратить внимание — это температура нагрева (для каждого материала она своя), скорость перемещения экструдера и нити. И если с толщиной все понятно, то здесь желание быстрее завершить работу не всегда позитивно сказывается на итоговом качестве, поэтому подбирать оптимальное значение лучше опытным путем. Нагреванию может подвергаться не только головка, но и платформа, что необходимо для некоторых материалов. Ряд особо термостойких может потребовать и наличие бокса, закрывающего платформу и препятствующего утечке тепла.


Почти все современные модели оборудованы беспроводными модулями Wi-Fi и Bluetooth, облегчающими интеграцию 3D-принтера в единую систему с ПО. Для создания трехмерных моделей используются соответствующие редакторы, а для того, чтобы подготовить их к печати — управляющие приложения. Ряд принтеров способен работать исключительно в автоматическом режиме, предлагая владельцам лишь возможность изменения ориентации и габаритов, другие же, напротив, комплектуются неплохими программами, позволяющими контролировать различные аспекты процесса. Наибольшее распространение для фалов, подготовленных к печати, получил формат STL, реже встречается XYZ.

Стоит обратить также внимание на то, что большинство 3D-принтеров работают только с одним материалом произвольного цвета. Для реализации многоцветной или полноцветной объемной печати можно использовать аппараты с несколькими экструдерами, количество которых определяет сколько цветов одновременно может быть задействовано, а также дорогостоящими профессиональными порошковыми моделями, способными обеспечить 650 000-цветную палитру, но и стоящими несколько миллионов рублей.

Среди производителей лидирующую позицию со своим обширным ассортиментным рядом занимает пионер индустрии объемной печати — компания 3D Systems. Дорогие профессиональные устройства разрабатываются ведущими европейскими и американскими производителями, а бюджетный сегмент практически полностью оккупировали китайцы. В последнее время, наравне с печатью, активное развитие получило и 3D-сканирование, позволяющее делать точные копии людей или объектов, но это уже тема для отдельной статьи. 

Более подробно о том, какие 3D-принтеры представлены в недорогом ценовом диапазоне, читайте в нашем следующем обзоре.

Комментарии (0)