3D-принтер: определение и принцип работы

В 2011 году на конференции TED была продемонстрирована технологическая новинка: принтер, загруженный биогелем, создал человеческую почку прямо перед участниками. В последующие два года компания Adidas представила новую модель кроссовок, изготовленных с использованием 3D-принтера всего за 20 минут. Недавно же SpaceX, компания Илона Маска, успешно провела тесты двигателей космического корабля, изготовленных также с применением 3D-принтера.

Сегодня 3D-печать представляет собой не просто технологию будущего, а хорошо исследованную и широко используемую реальность. Эта технология применяется в различных областях, таких как архитектура, строительство, медицина, дизайн, производство одежды и обуви. По запросу «3D-принтер» поисковые системы предоставляют множество чертежей и прототипов различной сложности, начиная от бытовых предметов, таких как мыльницы и настольные лампы, и заканчивая автомобильными двигателями и даже жилыми домами.

Любой человек может приобрести 3D-принтер и создать, например, чехол для смартфона. Однако далеко не все способны идти дальше простой печати по готовым чертежам. В данной статье мы расскажем о том, как возникла 3D-печать, как можно использовать эту технологию, и какие перспективы она открывает.

История возникновения трехмерной печати

Не углубляясь в даты, расскажем краткую историю 3D-печати.

В начале 80-х годов доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования, используя фотополимер на основе акрила. Технология была похожа на современный 3D-принцип: принтер создавал объект, наслоенный слой за слоем.

Первые шаги в 3D-печати были сделаны Чарльзом Халлом в 1984 году, когда он изобрел стереолитографию — предтечу 3D-печати. Эта технология использовала ультрафиолетовый лазер для застывания материала, превращая его в пластиковое изделие. В 1986 году Халл запатентовал свою технологию и основал компанию 3D Systems, которая выпустила первый промышленный 3D-принтер.

С развитием технологии в конце 80-х годов 3D Systems начала массовое производство стереолитографических принтеров. Однако в то время появились и другие методы печати, такие как лазерное спекание и моделирование методом наплавления. Впоследствии термин «3D-печать» стал широко используемым, и появились первые домашние 3D-принтеры.

В начале нулевых годов рынок 3D-печати разделился на дорогие и сложные системы и доступные для домашнего использования. Технологию начали применять в специфических областях, например, впервые была напечатана мочевой пузырь на 3D-принтере и успешно имплантирована.

В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, способный создавать детали и комплекты деталей.

Устройство 3D-принтера

Большинство 3D-принтеров по своей конструкции напоминают обычные принтеры и состоят из схожих компонентов. Основное отличие заключается в том, что 3D-принтер печатает в трех плоскостях, добавляя глубину к ширине и высоте.

Основные компоненты 3D-принтера, за исключением корпуса, включают:

• Экструдер, или печатающая головка. подогревает поверхность, отмеряет нужное количество материала и выдавливает его в виде полужидкого пластика в виде нитей.
• Рабочий стол (также известный как рабочая платформа). на нем создаются детали и формируются изделия.
• Линейные и шаговые двигатели. обеспечивают движение деталей, отвечают за точность и скорость печати.
• Фиксаторы. датчики, определяющие координаты печати и ограничивающие подвижные детали, предотвращая выход за границы рабочего стола.
• Рама. соединяет все компоненты принтера.

Все управляется компьютером.

Процесс создания изделий

Создание трехмерных изделий осуществляется через аддитивный процесс 3D-печати, при котором слои материала наслаиваются друг на друга, начиная снизу и заканчивая верхом, пока не сформируется объект по заранее подготовленному чертежу. Таким образом печатаются изделия из пластика.

Фотополимерная печать, например, работает по технологии стереолитографии (SLA), где под воздействием лазерного излучения фотополимеры затвердевают. Современные 3D-принтеры также способны работать с металлоглиной и металлическим порошком.

Процесс печати состоит из последовательных циклов, которые повторяются один за другим. На каждом этапе на поверхность наносится новый слой материала, а печатающая головка перемещается, пока на рабочей поверхности не появится готовый объект. Отходы печати автоматически удаляются принтером с рабочего стола.

Как функционирует 3D-моделирование

Процесс создания изделия по 3D-чертежу начинается с его разработки в специальной программе на компьютере, а затем сохранения в формате STL. Этот файл передается в программу резки для принтера, где определяются физические характеристики изделия, такие как плотность. После этого программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и передает ее на принтер, который начинает процесс печати.

Создание 3D-чертежа в домашних условиях — это задача, которую можно легко выполнить, ознакомившись с инструкцией на habr.

• Выбор 3D-модели. Можно создать модель самостоятельно с помощью специального CAD-редактора или найти готовый чертеж разной сложности в сети.
• Подготовка 3D-модели к печати. Процесс слайсинга (разделение модели на слои) позволяет преобразовать модель для передачи на принтер. Например, для печати игрушки модель разбивается на слои, которые затем передаются принтеру. Слайсер указывает принтеру, как именно создавать объект. как двигаться по контуру, с какой скоростью и какую толщину слоя использовать.
• Передача модели на принтер. С помощью слайсера 3D-чертеж сохраняется в файле формата G-code. Этот файл загружается в принтер, и компьютер запускает процесс 3D-печати.
• Наблюдение за печатью.

Возможности использования напечатанных изделий

Возможность применения напечатанных изделий зависит от качества используемого материала, принтера и конечного продукта. Часто домашние принтеры не совсем точно воспроизводят форму и цвет объекта. Продукты из пластика могут требовать дополнительной обработки, так как они могут иметь дефекты и неровности поверхности.

Для обработки поверхности используют несколько методов, но не все из них подходят для домашнего использования:

• Механическая обработка, такая как ручная шлифовка и удаление заусенцев.
• Химическая обработка, включая погружение в ацетон, обработку пескоструем или нанесение специального раствора кисточкой.

Что можно создать с помощью 3D-принтера

В интернете можно найти множество инструкций для печати 3D-изделий. Сайты, такие как 3D-Today, публикуют фотографии работ владельцев принтеров, включая как мелкие запчасти, так и скульптуры. «Хабр» представляет списки «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D рассказывает о более крупных проектах, таких как автомобили, оружие, солнечные батареи и протезы.

Существует несколько перспективных областей, в которых 3D-печать уже нашла применение:

• Изготовление моделей по собственным эскизам. Владельцы принтеров могут собирать и печатать на заказ объекты, созданные ими самими. Примеры таких проектов включают Thinker Thing и Jweel.
• Быстрое прототипирование. Это одна из самых популярных областей применения 3D-печати. Принтеры используются для создания тестовых моделей протезов, прототипов медицинских корсетов, барельефов и олимпийского снаряжения.
• Сложная геометрия. 3D-принтеры легко справляются с созданием объектов любой формы, от табуреток в виде отпечатка пальца до сложных блюд, созданных шеф-поваром в Дании. В немецком институте даже разработали систему ускоренной 3D-печати, которая за 18 минут создает высоко сложное геометрическое изделие высотой в 30 см.
• Технологии 3D-печати. Основные методы в кратком изложении
• Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер используется для облучения фотополимеров, формируя каждый слой в соответствии с 3D-чертежом. Материал затвердевает после облучения, и прочность изделия зависит от типа используемого полимера, такого как термопластик, смола или резина. Стереолитография не поддерживает цветную печать, а также характеризуется медленной скоростью работы и большими размерами установок.
• Селективное лазерное спекание (SLS). Этот метод основан на спекании порошковых материалов при помощи лазера. Используются различные материалы, такие как пластик, керамика, металл и полимеры в виде порошка. SLS применяется для создания прототипов и сложных геометрических деталей, но из-за больших размеров принтера не является подходящим для домашнего использования.
• Послойная заливка полимера (FDM). Метод FDM, или моделирование послойным наплавлением, предполагает вывод материала в виде нити из экструдера, который затем подается на рабочий стол в виде микрокапель. Экструдер перемещается в соответствии с 3D-моделью, и материал застывает, образуя изделие. FDM популярен для домашнего использования благодаря низкой стоимости. Он используется для создания игрушек, сувениров и украшений, а также в промышленном производстве для быстрой печати мелкосерийных партий изделий.
• Струйная 3D-печать. Этот метод включает нанесение связующего вещества на тонкий слой материала по контурам чертежа. Печатающая головка наносит материал, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Струйная 3D-печать обеспечивает долговечность изделий, но их прочность ограничена. Этот метод используется для создания сувениров, украшений и прототипов, а также в биопечати для строительства органических тканей с использованием живых клеток.

Что необычного можно напечатать на 3Д принтере

Существует множество необычных предметов, которые можно напечатать на 3D-принтере. Вот несколько идей:

• Интересные головоломки. Напечатайте сложные трехмерные головоломки или загадочные формы, которые можно разгадать.
• Кастомизированные кубики льда. Создайте уникальные формы для льда с вашим логотипом, именем или интересным дизайном.
• 3D-пазлы. Разработайте собственные 3D-пазлы или найдите интересные модели в онлайн-библиотеках для 3D-печати.
• Геометрические вазы. Печать креативных ваз и горшков с нестандартной геометрией.
• Наушники-наружные чаши. Персонализируйте свои наушники, создав уникальные внешние чаши.
• Миниатюрные скульптуры. Напечатайте маленькие скульптуры, представляющие абстрактные формы или персонажей.
• Экологичные предметы для дома. Печать экологичных и уникальных предметов для дома, таких как подставки для телефонов, держатели для ключей или органайзеры.
• Личные крючки. Напечатайте крючки для одежды с персонализированным дизайном, например, вашим именем или изображением.
• Геодезические купола. Постройте красивые геодезические купола из соединенных 3D-напечатанных элементов.
• Модели космических объектов. Печать красочных моделей планет, спутников или других космических объектов.

Убедитесь, что выбранная вами модель соответствует техническим параметрам вашего 3D-принтера, и не забывайте следовать рекомендациям по безопасности при использовании 3D-печати.

Как откалибровать 3D принтер

Одним из важных этапов в подготовке 3D-принтера к работе является калибровка. Этот метод настройки не только позволяет устранить возможные дефекты в процессе печати, но также обеспечивает создание изделий высокого качества.

Процесс калибровки 3D-принтера рекомендуется проводить в следующих случаях:

• Сразу после покупки принтера, перед его первым запуском, чтобы гарантировать оптимальную работу устройства.
• При смене филамента, поскольку разные материалы могут требовать различных параметров для достижения оптимальных результатов.
• В случае ухудшения качества отпечатков или появления каких-либо дефектов. Калибровка поможет восстановить стабильность процесса печати.
• При внезапных скачках температуры рабочего стола, чтобы избежать проблем, связанных с термическим расширением материала.

Следует отметить, что правильная калибровка 3D-принтера играет ключевую роль в достижении оптимальных результатов и поддержании стабильности производства изделий.

Для чего нужен 3D принтер

Области применения 3D-печати в основном охватывают профессиональные сферы:

• Строительство. Возможность печатать стены и даже многоэтажные дома из специальной цементной смеси на 3D-принтерах предоставляет новые перспективы. Проекты, такие как замок размером 3 × 5 метров, могут быть реализованы с использованием строительных принтеров, способных построить двухэтажный дом всего за 20 часов:
• Медицина. 3D-принтеры применяются в медицине не только для создания органов, но и для протезирования и стоматологии. Уникальные случаи включают успешное разделение сиамских близнецов и установку протезов кошке без лап. Интересные детали исследований в области 3D-печати в медицине доступны в статье издания 3D-Pulse.
• Космос. Трехмерная печать используется для создания оборудования для ракет и космических станций. Технология также применяется в космической биопечати, а предприимчивые компании, такие как Relativity Space, строят ракеты с использованием 3D-печати. Российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые будут выращены на 3D-принтере.
• Авиация. В области авиации 3D-печать применяется для создания деталей, не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США могут изготовить авиакомпоненты, такие как элемент обшивки фюзеляжа, за пять часов с использованием 3D-принтера.
• Архитектура и промышленный дизайн. Трехмерные принтеры применяются для создания макетов домов, микрорайонов и даже инфраструктуры, такой как дороги, деревья и магазины. Обычно в этой области используется недорогой гипсовый композит. Некоторые дизайнеры предлагают необычные решения, такие как бетонные барьеры, которые могут быть напечатаны на 3D-принтере.
• Образование. 3D-печать применяется в образовательных учреждениях для создания визуальных пособий. Школы используют трехмерные принтеры для демонстрации 3D-моделей молекул на уроках химии, изучения электрических цепей на уроках физики, а также для создания ручек на уроках изобразительного искусства.

3D-печать также активно применяется в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.