3d принтер и принцип его работы

Управление процессом объемной печати

Процесс получения готового продукта на 3D печатном устройстве — физическая материализация его компьютерной модели, созданной специальным программным обеспечением. Управление процессом трехмерного печатания делятся на несколько этапов.

Создание цифровой модели и введение данных в печатное устройство

Для цифровой обработки объекта необходимо специальное программное обеспечение («3D Studio Max», «AutoCAD» и др.). Если навыки работы с программами отсутствуют, лучше обратиться к специалисту. Процесс создания модели медленный и может занять несколько дней.

Можно воспользоваться специальным 3D-сканером, однако качество виртуальной модели снизится.

Если изготавливаемый объект — типовая вещь, можно поискать информацию в Интернете, на специализированных сайтах. Цифровую модель сохраняется в формате STL.
Затем с помощью специализированной программы-слайсера генерируется G-код – система команд, управляющих движением печатных элементов устройства. Интерфейс программ прост и не вызывает сложностей при использовании.

Подготовка к работе

Этап зависит от типа печатного устройства. Например, перед началом работы FDM-системы на рабочий стол устройства клеится специальная пленка и загружается бобина с пластиковой нитью. Тип и цвет пластика выбирается в зависимости от характеристик готового продукта. Проверяется наличие загрязнений и механических повреждений нити — это влияет на качество получаемого изделия.

Этап печатания

Производится самостоятельно. Необходимо следить, чтобы слои наносились на объект равномерно, не было застывания полимерной нити или ее излишней пластичности. При необходимости вносится корректировка в настройки устройства.

.Дополнительная обработка объекта

При необходимости проводится дополнительная обработка: обдирка и полировка готового продукта. Если при печатании объекта сложной формы изготавливались поддерживающие конструкции (необходимые, чтобы избежать разрушения моделируемого объекта) необходимо их удаление и полировка мест соединения.

Что можно напечатать на 3D-принтере

В интернете полно подборок с инструкциями для печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких запчастей до скульптур. На «Хабре» уже три года назад постили список «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D написали о более масштабных проектах — печати автомобилей, оружия, солнечных батарей и протезов.

Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.

Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel. 

Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.

Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:

— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;

— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;

— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.

Назначение 3D принтера

Быстрое развитие технологии 3D принтеров, и, как следствие, снижение стоимости 3D-печати привели к тому, что они появляются и в небольших компаниях, и дома у любого человека. Параллельно развиваются сервисы, которые по заказу изготавливают дешевые трехмерные модели изделий, дают возможность быстро распечатать нужную деталь, не выходя из своего дома. Возможности 3D-печати — неограниченные. На сегодня 3D принтер — это недорогое и доступное решение для всех сфер жизнедеятельности человека.

Где можно использовать 3D принтеры

В первую очередь назначение такого принтера — это быстрое изготовление прототипов моделей и объектов для дальнейшего совершенствования и доработки. На самом первом этапе создания проекта можно кардинально менять конструкцию узлов или даже всего объекта. Для инженеров этот подход существенно снижает затраты на проектирование, освоение и разработку новой продукции.
Также их можно использовать для быстрого изготовления узлов или деталей из материалов, которые поддерживаются 3D принтерами. Такое решение экономически выгодно для мелкого серийного производства. Изготовление моделей с прозрачной структурой позволяет увидеть работу механизма «изнутри» и оценить степень износа того или иного элемента. Это дает возможность совершенствовать технологию и производство самих изделий, быстро и без значительных затрат.
Можно использовать для литейного производства — то есть изготовление пресс-форм и создания моделей.
На 3D принтере можно напечатать необходимые предметы и вещи личного использования, игры, учебные материалы, сувениры.
3D принтеры служат для изготовления готовых систем из долговечного и прочного материала, например, для создания готовых частей и моделей беспилотных самолетов.
В медицине — использование принтеров позволяет выращивать образцы внутренних органов

Это очень важно для оценки их врачами перед операцией или для построения полноценных частей тела, при изготовлении протезов в стоматологии или замене костей и суставов в хирургии.

Принципы работы 3D принтера

Принципы работы 3D принтера базируются на технологиях лазерного спекания или лазерной печати, плавления пластика на слои, ламинирования, полимеризации или плавления лазером порошка различного состава, вакуумной плавки порошка и послойного склеивания тонкой пленки рабочего материала (например, бумаги). Дешевые принтеры позволяют печатать только одним материалом. Более дорогие модели имеют две и больше печатающие головки, что позволяет одновременно печатать несколькими различными материалами или несколькими цветами одного и того же материала. Существуют модели 3D принтеров для печати полноцветных изделий. В зависимости от производителя принтера и модели, как материал для печати могут использоваться: пластик, различные порошки, силикон, фотополимерная смола, металл, воск.

Дизайн упаковки

Трёхмерные принтеры позволяют изготавливать пробные макеты упаковки, флаконов и бутылок оригинальной формы. Прототипы могут быть цветными, с включением всех элементов дизайна, в т.ч. этикеток, штрих-кодов, фирменных знаков. Готовые модели упаковки могут быть продемонстрированы заказчику перед запуском в массовое производство. Преимущество 3D прототипов налицо: заказчик может подержать упаковку в руках, оценить её фактуру, текстуру, цветовое оформление и некоторые другие характеристики.

Прототипы бутылок, напечатанные 3D принтером

Для изготовления пластиковых упаковок в настоящее время используют следующие 3D принтеры: Dimension uPrint, uPrint+, Elite, SST 1200ES; Fortus 400mc и 900mc. Для изготовления полупрозрачной и детализированной упаковки используются принтеры: Objet 24 и 30; Eden 250, 260V, 350, 500V; Objet 260 Connex, Connex 350 и 500. Для печати цветной упаковки лучше всего подойдут принтеры ZPrinter 250, 450, 650 и 850.

Критерии выбора для 3Д принтеров

Чтобы понять, как выбрать 3D принтер в 2018 году, нужно четко определить для каких целей он будет служить. Это главный критерий, определяющий модель для покупки. Каждая модель обладает своими параметрами и функциональностью.

Наиболее доступная цена у принтеров, печатающих полимерной нитью. Она может быть из различного вида пластика. Напечатанные модели получаются достойного качества.

Самые дорогостоящие устройства печатают специальным порошком. Он расплавляется под действием лазера. Из-за значительной цены, подобные устройства пользуются спросом только в бизнес среде.

Отметим некоторые характеристики 3D принтеров, которые помогут сделать правильный выбор:

Тип печатающих компонентов. Самые доступные из них, это пластиковые нити, продающиеся в разных цветах. Подходящим вариантом для новичка будет PLA пластиковая нить. Распечатанные модели получатся легкими, с ровной и гладкой поверхностью.

Безошибочная печать. Каждый хочет, чтобы принтер распечатал модель максимально точно. Этот параметр зависит от сопла экструдера. Если оно маленького диаметра, то качество и точность печати будут высоки. Но с увеличением точности, увеличится время печати. Поэтому нужно сразу решить, что важнее – безошибочная или скоростная печать.

Конструктивные особенности

Стоит обращать внимание на материал и тип корпуса. Движущиеся элементы принтера могут работать не точно из-за возникающих вибраций

Поэтому корпус, обладающий жесткой и прочной конструкцией, прослужит долго, а печатные модели будут получаться высокого качества.

Программное обеспечение. Все современные модели 3Д принтеров, обязаны работать с любыми 3D редакторами. В комплекте всегда должны идти вспомогательные программы облегчающие работу с устройством.

В интернете можно встретить различные фото 3Д принтеров. Это поможет поближе ознакомиться с конструкцией и внешним видом девайса.

Принцип работы в общих чертах

Начинается работа с создания виртуального шаблона на компьютере с помощью специальной программы. Далее происходит обработка программным способом модели с целью ее разделения на слои. После этого в работу вступает техническая часть принтера, послойно формируя массу из композитного порошка для дальнейшего изготовления предмета. По мере заполнения специальной камеры материалом ось принтера распределяет массу по рабочей поверхности. После формирования каждого слоя головка устройства накладывает клеевую основу. Повторяется этот процесс до момента, пока не будет выполнен объект, разработанный в программе для печати

Важно учитывать, что изготовление на 3D-принтере может выполняться по разным технологиям. Соответственно, меняется и техника печати, и свойства используемого материала, а также подходы к программной реализации задачи

Метод послойного наплавления термопласта

Это, пожалуй, наиболее популярная техника трехмерного изготовления. Распространенности FDM-аппаратов способствует сразу несколько факторов. В первую очередь в работе устройств используются относительно недорогие пластики

Также имеет значение простая техника эксплуатации, что особенно важно в работе с таким оборудованием. Как правило, технологии 3D-принтеров этого типа предусматривают работу с термопластиками, одним из которых является полилактид

Среди преимуществ этого материала отмечается экологичность, так как получают данный пластик из сахарного тростника и кукурузы.

Главным же элементом в самом принтере стоит назвать экструдер, который выполняет задачу печатной головки. Впрочем, в этой части не все так однозначно, поскольку элемент представляет собой комплекс отдельных компонентов. Если рассматривать термин «экструдер» в привычном понимании, то к нему будет относиться только часть головки в виде подающего механизма. Так или иначе, печатающая основа подает пластик для 3D-принтера путем нанесения расплавленной нити. Движение механической части обеспечивается электромотором. В итоге механизм направляет нить в нагреваемую трубу сопла, которая и формирует конечный объект.

Существующие технологии

• Лазерная стереолитография (англ. laser stereolithography, SLA) — объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.
• Селективное лазерное спекание (англ. selective laser sintering, SLS) (также англ. Direct metal laser sintering — DMLS) — объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл) путём его плавления под действием лазерного излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (обычно специальным выравнивающим валиком), после чего лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта. Затем платформа опускается на толщину одного слоя и на неё вновь наносится порошкообразный материал. Данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта за счёт заполнения пустот порошком. Для уменьшения необходимой для спекания энергии температура рабочей камеры обычно поддерживается на уровне чуть ниже точки плавления рабочего материала, а для предотвращения окисления процесс проходит в бескислородной среде.
• Электронно-лучевая плавка — аналогична технологиям SLS/DMLS, только здесь объект формируется путём плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.
• Моделирование методом наплавления — объект формируется путём послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подаётся в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается на толщину одного слоя, чтобы можно было нанести следующий слой. Часто в данной технологии участвуют две рабочие головки — одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая — материал поддержки.
• Изготовление объектов с использованием ламинирования (англ. laminated object manufacturing, LOM) — объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое. За счет отсутствия пустот данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, однако, удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) в некоторых ситуациях может вызывать затруднения.