Как работает 3д принтер

Немного истории

Первый прототип трехмерного типа принтеров зафиксирован в 80-х годах прошлого века. Автором технологии стал японский ученый Хидео Кодама, разработавший методику прототипирования посредством использования фотополимеров.

Затем появилась стереолитография, при которой материал застывал под воздействием УФ-лазера и становился полноценным изделием. Чак Халл из Америки в 1986-м году оформил патент на технологию трехмерной печати и создал компанию 3D Systems. Она выпустила первые принтеры такого плана и все еще занимает лидирующие позиции на рынке. Тогда же появилось не только промышленное, но и домашнее оборудование для печати.

В 2000-х с молниеносным прорывом во всех технологических отраслях активно развивались и трехмерные технологии. Тогда, например, на особом принтере был впервые напечатан внутренний орган (мочевой пузырь) и успешно имплантирован.

Уже к середине нулевых появилось первое 3д оборудование с цветной и высококачественной печатью. Дальше оно только развивалось и еще больше усовершенствовалось, пока не приобрело повсеместное распространение.

Основы технологии 3D печати

Сущность работы 3D принтеров можно описать одним понятием – «аддитивное производство», под которым подразумевается изготовление предметов посредством добавления и наслаивания нового материала. Используется такой термин в противовес более привычным производственным технологиям, предполагающим постепенное удаление лишнего материала с заготовки (вырезание, шлифовка и т. д.).

Общим принципом функционирования трехмерного печатного оборудования является создание объемного объекта из совокупности большого количества плоских слоев. Описывая технологию печати максимально просто и обобщенно, выделим следующие ее этапы:

• создание 3D-модели предмета, который нужно сделать, и загрузка ее в специальное ПО;
• считывание загруженной схемы принтером и выставление настроек для печати (размер слоев, скорость наложения, рабочая температура и т.п.);
• поэтапное наложение слоев с заданным шагом;
• окончательное формирование изделия, посредством соединения слоев друг с другом в единую конструкцию.

Процесс печати на 3D принтере может занимать от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от сложности и размера изготавливаемого предмета. Современное оборудование позволяет добиться максимально точного результата в производстве новых объектов и копировании уже имеющихся.

Если помимо принтеров вы располагаете еще и трехмерным сканером, то сможете полностью повторить практически любой имеющийся у вас элемент.

Конструкция 3D принтера

Сконструированы, работают 3D печатающие устройства примерно одинаково. Разберем конструкцию на примере наиболее популярных 3D принтеров, функционирующих с пластиком. Помимо корпуса, данного рода техника состоит из:

• экструдера (печатающей головки) – захватывает пластик, разогревает его до нужной температуры и выдавливает в виде нитей;
• шагового/линейного двигателей – обеспечивают точность и скорость печати, приводят в движение остальные части конструкции;
• датчиков-фиксаторов – работают как ограничители подвижных деталей и определители координат печати. За счет их правильного функционирования 3D принтеры не выступают за грани поверхности и печатают более аккуратно;
• рабочей платформы (стола, поверхности) – плоскость, на которой происходит выстраивание печатаемого объекта.

Соединяются элементы в принтере рамой и могут иметь разную конфигурацию. К примеру, в одном устройстве может быть предусмотрено два и более экструдеров. За счет этого принтер работает сразу с несколькими цветами или типами материала.

Различные технологии 3D-печати

Говоря о принципах работы трехмерной печатающей техники более конкретно, нужно разобрать несколько методов, которые широко используются на данный момент. Метод печати в нашем случае – совокупность таких элементов, как конструкция самого оборудования, последовательность и технология создания объекта, используемые для этого материалы, точность полученного результата.

Сегодня применяются следующие методы производства предметов на 3D принтере:

• экструзионная печать – построена на технологии экструзии. Сюда входят два метода: послойное наплавление материала (FDM-печать) и многоструйное нанесение (MJM). Первый способ самый распространенный и низкозатратный. Подобные 3D принтеры функционируют с разными типами термопластика или композитными материалами с пластиком в основе. Исходный материал выдавливается через сопла принтеров и происходит постепенное наслаивание объекта;
• плавка, склеивание, спекание – порошковый расходный материал в процессе печати соединяется в целостное изделие. Здесь различается струйная 3D печать (3DP), при которой на рабочую платформу наносятся тонкие слои порошка, частично склеиваемые между собой связующим компонентом. В качестве подобного порошка можно использовать любое сырье, что получиться измельчить до нужного состояния (пластик, дерево, металл и т.п.). Имеются также плавка (SLM) и спекание (SLS) лазером, рассчитанные на взаимодействие с пластиковым, металлическим порошком и позволяющие создавать цельные, нехрупкие детали. Данный метод предполагает не склеивание мелких порошковых частичек, а их спекание лазерным лучом с последующей обработкой в печи при необходимости. SLM- принтеры даже не просто спекают, а сплавляют частицы до монолита;
• стереолитография (SLA) – используется по отношению к фотополимерным смолам, напоминающим эпоксидные и затвердевающие при воздействии ультрафиолета. Жидкий материал заливают в специальный контейнер, по которому сверху вниз или снизу вверх движется платформа и обрабатывает смолу УФ-светом, от чего та затвердевает по нужной форме. Это наиболее точная 3D технология, но и самая затратная;
• ламинирование – условно тоже относится к трехмерной печати. Действует такой принтер с бумагой, картоном, фольгой, пластиковой пленкой и подобными листовыми расходниками. Листы склеиваются друг с другом в высоту, обрезаются по заданным контурам лезвием или лазером. Данный вариант наиболее бюджетный, но не подходит для реализации серьезных проектов.

Еще пару слов про FDM, пользующийся наибольшей популярностью благодаря доступности. Процесс работы 3D принтеров в этом плане напоминает рисование аналогичной ручкой или работу клеевым пистолетом, только делаете вы это не вручную, а при помощи автоматизированного оборудования.

Филаменты для печати могут иметь разный состав, цвет, толщину, быть с добавлением светящихся пластиковых нитей, различными вкраплениями, что в итоге имитирует текстуру другого материала, растворяться в воде, позволяя создавать сложные конструкции без риска повредить изделие при обрезке литников.

Тут важный момент – устройство не печатает «по воздуху». Ему необходима основа в виде платформы или подложка из пластика. Так, например, для выступающих элементов необходимо предусмотреть поддерживающие ножки, убираемые при последующей обработке.

Программная составляющая

С технологической частью 3D принтеров сравнительно понятно, но есть еще один компонент их правильного функционирования – программный. Чтобы получился результат, который нам нужен, в принтер должна быть заложена определенная программа печати. Другими словами, он считывает виртуальный образец с определенными расчетами и переносит его в реальность.

Происходит такая автоматизация за счет электронных контроллеров. Они регулируют скорость подачи расходного материала, температуру плавления и рабочей плоскости, позиции пошаговых моторов, перемещающих экструдеры и т. д. Но контроллеры тоже не берут информацию «из воздуха», поэтому в дело входит программное обеспечение на компьютер.

Современные 3D принтеры работают на программном языке, который называется G-код. Он состоит из набора программ, последовательно выполняемых устройством. Создает данный код специальный тип программ под общим названием слайсер (от англ. Slice – тонкий кусок). В них вы загружаете выбранную трехмерную модель, а они как бы «нарезают» ее на слои, по которым будет печатать устройство и которые в итоге создадут объект с заданными параметрами.

Программ слайсеров достаточно, чтобы выбрать вариант, максимально удобный для работы и подходящий для вашего типа оборудования. В них есть небольшой набор функций графического редактора и установки параметров печати. Но – это не программы для 3D моделирования как такового. Они только переводят модель в язык, понятый печатающей технике.

Чтобы разработать ее, нужна другая программа типа CAD-редактора и определенные навыки трехмерного проектирования. Упрощает процесс проектировки использование 3D сканеров, можно заказать проектирование у специалиста, купить в сети или найти бесплатный вариант, если он подойдет под ваши запросы.

Получается, пошагово программная составляющая печати на 3D принтере включает:

• поиск или проектирование трехмерной модели будущего объекта;
• импорт готовой модели в программу-слайсер, которая преобразует проект в G-код, понятный принтеру;
• сохранение проекта под печать на компьютере или внешнем носителе информации;
• запуск печати в зависимости от возможностей оборудования – через компьютер, флеш-карту, Wi-Fi и т.п.

Далее мы ожидаем, пока 3D принтер закончит печать. Примерно необходимое для этого время будет отображаться в программе. Готовое изделие может нуждаться в дополнительной доработке: шлифовке, полировке, вырезании литников и т. д.

Пара практических моментов. Хоть эта технология и «умная» сама по себе, пользовательские настройки в ней также имеют большое значение. По настраиваемости принтеры могут быть разными. Как правило, вы можете установить высоту блока, скорость подачи материала, рабочую температуру для экструдера и платформы. Здесь важно отталкиваться от рекомендаций производителя используемого материала и профессионалов в трехмерной печати. Экспериментируйте с разными настройками – оптимальный результат вырабатывается на практике. Общего для всех изделий и 3D принтеров секрета нет. Залог успешной реализации проекта в грамотно составленном макете и выставленных параметрах для печати. При этом возможности устройств для трехмерной печати практически не ограничены.