Думается, что сегодня про технологии 3D-печати и 3D-принтеры слышали все, в том числе очень далекие от сферы науки и инноваций люди. Однако далеко не все представляют себе хотя бы в общих чертах, как это все происходит.
Вы сможете быстро осваивать любые новинки, если освоите нашу программу «Лучшие техники самообразования». И ваш мозг сможет «вместить» и обработать любые новые знания, если вы изучите нашу программу «Когнитивистика».
А наша сегодняшняя статья – это небольшой ликбез для тех, кто хотел бы разобраться, что такое 3D-печать на 3D-принтере. Сначала мы дадим самые общие сведения, а потом те пункты, которые нуждаются в пояснениях, рассмотрим более подробно.
Что такое 3D-печать?
3D-печать – это технология создания объемных изделий методом послойного наращивания объектов. Слово «печать» в названии технологии – это прямая отсылка к традиционной печати текстов и картинок на принтере, когда изображение создается путем нанесения отдельных точек красителя на бумагу или другую основу.
Принтер в этом случае регулирует количество красителя и цвет красителя, если печать цветная, нужного для печати точки, и в итоге получается требуемое изображение на листе. 3D-принтер функционирует по такому же принципу, однако здесь добавляется еще одно пространственное измерение, которое позволяет создавать трехмерные объекты.
Условно говоря, если для создания традиционного двухмерного изображения нужна ось X и ось Y, для трехмерного предмета в придачу к этому нужна еще ось Z. Эти оси еще называют картезианскими координатами, и нам этот термин пригодится при рассмотрении устройства 3D-принтера.
Пока же вернемся к печати. Если при традиционной печати материал, т.е. краска, наносится в один слой на поверхность бумаги или другой основы в нужных местах, для 3D-печати нужно много таких слоев материала с тем, чтобы получить объемное изделие.
Для того чтобы запустить процесс создания трехмерных объектов, нам нужна цифровая модель этого объекта в виде специального файла, материал, из которого планируется изготовить изделие, и собственно 3D-принтер, который материализует цифровую модель в реальный предмет.
Для создания цифровых прообразов будущих изделий используется специальное программное обеспечение, а для печати изделий существуют различные 3D-принтеры, которые работают по разным технологиям и с разными материалами. Давайте разберемся в этом в общих чертах.
Что нужно знать о 3D-печати:
- Технологии печати – существует несколько различных технологий 3D-печати, таких как Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS) и другие. Каждая из них имеет свои особенности, материалы и области применения.
- Материалы – 3D-печать может быть выполнена с использованием различных материалов. Наиболее популярна 3D-печать на пластике – пластик для 3D-печати продается в виде нитей в специальных катушках. Кроме того, в разных моделях принтеров можно использовать смолу, металл, керамику и многое другое.
- Программное обеспечение – для создания 3D-моделей требуется специальное программное обеспечение. 3D-модель можно сделать в программах Autodesk Fusion 360, 3D Studio Max, SolidWorks Tinkercad, Blender, AutoCAD и других.
- Дизайн 3D-модели для печати – при проектировании объектов для 3D-печати важно учесть специфику технологии. Например, предметы со смещенным центром тяжести могут требовать поддержки внутри камеры принтера или иметь ограничения по минимальным размерам деталей.
- 3D-сканирование – модели для печати на 3D-принтере можно получить методом 3D-сканирования готового объекта с использованием 3D-сканера. Такой подход используется, если нужна, к примеру, 3D-печать деталей или запчастей при отсутствии готового файла 3D-модели. Для качественного сканирования следует позаботиться о том, чтобы объект был хорошо освещен и не имел загрязнений, влияющих на качество изображения.
- Формат печати – полученный файл 3D-модели следует преобразовать в формат STL, который распознается большинством современных 3D-принтеров, либо в тот формат, который указан для конкретной марки принтера. Если вы решили воспользоваться готовой моделью и скачать 3D-печать бесплатно где-нибудь в Сети, следите, чтобы формат файла был совместим с вашим 3D-принтером.
- Область применения – 3D-печать широко используется в различных отраслях, включая промышленное производство, медицину, архитектуру, образование и собственно моделирование объектов. 3D-печать задействуется для создания прототипов, индивидуальных деталей, медицинских имплантатов и других объектов.
- Ограничения – в зависимости от размера и сложности объекта 3D-печать может занять много времени. Естественным ограничителем является объем рабочего пространства 3D-принтера. В этом случае нужна декомпозиция объекта на части, которые помещаются на платформу 3D-принтера, печать по частям и последующая склейка. Однако изделие, склеенное из частей, обычно менее прочно, чем цельное.
- Постобработка 3D-модели – готовое изделие нужно как минимум очистить от пыли, грязи и обезжирить, а в зависимости от назначения изделия его может потребоваться отшлифовать, покрасить, разрисовать узорами, покрыть лаком и т.д.
В целом, постобработка готовых 3D-моделей – это отдельная и достаточно объемная тема. Рекомендации напрямую зависят, во-первых, от материала изделия, во-вторых, от того, что и для чего вы распечатали и как собираетесь этим пользоваться в дальнейшем. В принципе, простор для фантазии тут поистине безграничный.
Конкретные советы вы можете почерпнуть из материала «Постобработка моделей после 3D печати» [3DiY, 2023]. А еще из статьи «Обработка распечатанных 3D-моделей» [3D Today, 2021]. Мы же сейчас рассмотрим технологии, по которым производится 3D-печать.
Какие бывают технологии 3D-печати?
Все 3D-принтеры производят 3D-печать по одному принципу, слой за слоем создавая изделия из исходного материала. Различаются только способы соединения слоев между собой и, собственно, сами материалы, из которых моделируется физический объект.
Существует несколько наиболее распространенных способа 3D-печати:
- Экструзионная печать по технологии FDM.
- Спекание, плавка и отвердение по технологиям SLS/ SLA/SLM/DMLS.
- Ламинирование по технологии LOM.
Таким образом, в 3D-печати используется несколько наиболее распространенных технологий:
- Fused Deposition Modeling (FDM).
- Selective Laser Sintering (SLS).
- Laser Stereolithography (SLA).
- Direct Metal Laser Sintering (DMLS) и Selective Laser Melting (SLM).
- Laminated Object Manufacturing (LOM).
Теперь расскажем о каждой из этих технологий 3D-печати подробнее. Нам в помощь пояснения Центра Аддитивных Технологий 3DVision [3DVision, 2021]. И мы приступаем.
Технология FDM
Fused Deposition Modeling переводится как «моделирование методом послойного наплавления», что полностью отражает суть метода. 3D-печать по технологии FDM производится следующим образом:
- Специальный пластик для 3D-печати расплавляется и поступает в движущийся экструдер печатающей головки.
- Экструдер выдавливает на платформу тонкую нить (филамент) расплавленного пластика, формируя слой изделия.
- После окончания формирования слоя платформа принтера опускается для нанесения следующего слоя.
Позже мы рассмотрим базовое устройство 3D-принтеров, работающих по технологии FDM, потому что именно эта технология 3D-печати чаще всего используется в быту обычными пользователями, которые осваивают 3D-печать как хобби. И, соответственно, именно эта информация может вам оказаться наиболее полезной для того, чтобы выбрать 3D-принтер для дома и напечатать свою первую модель.
Забегая чуть вперед, скажем, что в принтерах, работающих по технологии FDM, часто используются две печатающие головки, одна из которых выдавливает модельный материал, а вторая материал поддержки, необходимый для сохранения устойчивости изделия в рабочем пространстве.
Технология SLS технология
Selective Laser Sintering переводится как «селективное лазерное спекание», а суть технологии заключается в спекании мелкодисперсного порошкового материала с помощью лазера. 3D-печать по технологии SLS производится следующим образом:
- Материал наносится на платформу тонким слоем.
- Лазер формирует на рабочей поверхности геометрию изготавливаемого изделия.
- По окончании формирования слоя платформа опускается и процесс повторяется.
Процесс наведения лазера осуществляется автоматически по заранее созданной 3D-модели. При этом в технологии SLS не используется поддержка в ходе 3D-печати навесных элементов объекта. В этом нет необходимости за счет заполнения пустот не спеченным порошком. Сам процесс печати происходит в специальной камере, где поддерживается бескислородная среда.
Технология SLA
Laser Stereolithography переводится с английского как «лазерная стереолитография». Суть технологии заключается в 3D-печати изделия из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием излучения. 3D-печать по технологии SLA производится следующим образом:
- В емкость с фотополимером погружается сетчатая платформа, примерно на глубину 0,05-0,13 мм.
- Лазер воздействует на определенные участки материала, заданные программой.
- Жидкий фотополимер твердеет.
- После затвердевания жидкого фотополимера платформа опускается и процесс повторяется.
В ходе 3D-печати по технологии SLA строятся поддерживающие структуры, которые удаляются вручную после окончания печати.
Технологии SLM и DMLS
Direct Metal Laser Sintering (DMLS) и Selective Laser Melting (SLM) – это две очень близкие по своим базовым принципам технологии 3D-печати металлических изделий. Direct Metal Laser Sintering переводится как «прямое лазерное спекание металлов», а Selective Laser Melting означает «селективное лазерное плавление».
В том и другом случае изделие изготавливается путем воздействия лазера и деформации металлического порошкового материала. Таким образом, технологии SLM и DMLS – это 3D-печать металлом. Обе технологии поддерживают широкий спектр металлических материалов, однако имеют некоторые различия.
Различия в принципах SLM и DMLS:
- В DMLS лазер нагревает и связывает тонкий слой металлического порошка. Процесс основан на принципе плотного сжатия порошка. Металл сначала нагревается до температуры, при которой он начинает слипаться, но не плавится полностью.
- В SLM металлический порошок плавится полностью и затвердевает при нанесении каждого слоя.
Различия в температуре плавления:
- В DMLS металл достигает температуры ниже точки плавления, что позволяет ему связываться без полной плавки.
- В SLM металл полностью плавится, что создает более плотные и прочные структуры.
Различия в качестве изделия:
- SLM обеспечивает более высокое качество, плотность и точность изделия, потому что процесс плавления позволяет создавать более гладкие и детализированные изделия.
- DMLS позволяет производить стальные детали с плотностью 95%.
Отметим, что DMLS обеспечивает плотность изделия ниже, чем SLM, но выше, чем технология SLS, позволяющая производить изделия из металлического порошка плотностью примерно 70% [Science Direct, 2021].
Технология LOM
Laminated Object Manufacturing, расшифровывается как «печать объектов методом ламинирования». Как и при обычном ламинировании, которое можно заказать в любом копицентре, в ходе 3D-печати по технологии LOM на платформу или готовый объект разогретым роллером наклеивается лист выбранного материала. Это может быть бумага, картон, фольга, пленка. Затем лазер вырезает объект по контуру согласно вашему дизайну, а излишки материала по завершению 3D-печати удаляются. Чуть подробнее это выглядит следующим образом:
- На рабочую платформу 3D-принтера подается расходный материал (отдельный лист либо из рулона).
- Материал нагревается до нужной температуры и распределяется под определенным давлением.
- При помощи специального ножа либо лазера на листе вырезается контур первого слоя, а участки, требующие удаления по завершению 3D-печати, надрезаются по определенному узору.
- Далее платформа опускается вниз на высоту одного слоя и процесс повторяется.
В случае применения материала в рулоне, рулон проворачивается, подавая новый материал и убирая остатки. Если же используются листы, с каждым новым слоем подается новый лист. Заметим, что устройство для 3D-печати по технологии LOM работает достаточно шумно. Собственно, как и любое оборудование для ламинирования в обычном копицентре.
Здесь мы вплотную подошли к рассмотрению оборудования для 3D-печати, а именно 3D-принтеров. Давайте поговорим об этом подробнее.
Что такое 3D-принтер?
3D-принтер – это устройство для 3D-печати, которое позволяет создавать объемные трехмерные объекты путем последовательного нанесения слоев материала по заданным цифровым трехмерным моделям.
В отличие от традиционных способов производства, где нужно вырезать или формировать объект из блока материала, 3D-принтер создает объекты путем добавления материала, поэтому 3D-печать относится к аддитивным технологиям (от английского additive, что означает «добавка»).
В соответствии с технологиями печати различаются разные типы 3D-принтеров, предназначенные для работы по той или другой технологии. Как мы уже знаем, в быту в большинстве случаев используется технология FDM, поэтому мы сейчас рассмотрим базовое устройство принтера, работающего по технологии Fused Deposition Modeling [LosPrinters, 2023].
По сути, это станок с числовым программным управлением, части которого могут двигаться линейно сразу в трех измерениях, используя оси X, Y и Z. Движение обеспечивается шаговыми двигателями небольших размеров, которые обеспечивают перемещение рабочей части с точностью до 0,01 мм.
Устройство 3D-принтера, работающего по технологии FDM:
- Печатающая головка – состоит из двух частей, экструдера и нагревательного элемента. Экструдер – это механизм для подачи материала в нагреватель, а нагреватель обеспечивает плавку и выдавливание материала через отверстие сопла.
- Платформа или рабочий стол – поверхность из стекла или алюминия, на которую при печати послойно наносится расплавленный материал из экструдера, формируя готовое изделие. Стекло и алюминий позволяют эффективно распределять тепло по рабочей поверхности, что обеспечивает дополнительное выравнивание изделия.
- Рама для фиксации частей 3D-принтера – может быть открытой, состоящей только из алюминиевых держателей, или закрытой, когда конструкция дополняется органическим стеклом или фанерой.
- Движущие и передаточные механизмы, направляющие и фиксаторы – нужны для обеспечения движения рабочих частей. Шаговый двигатель обеспечивает точность движения частей принтера, а линейный двигатель обеспечивает работ от сети и отвечает за производительность и скорость работы устройства.
- Система управления – все процессы, начиная от распознавания файла с цифровой моделью изделия и заканчивая регулировкой работы двигателей и температуры нагрева, управляются специальным контролером.
Так выглядит базовое устройство 3D-принтера, работающего по технологии FDM:
В описании оборудования принтера часто можно встретить такое название, как «картезианский робот» или «дельта робот». Это промышленное название механизмов, которые перемещаются по так называемым картезианским координатам – осям X, Y и Z. В частности, именно по этим осям и движется печатающая головка 3D-принтера:
Специально искать в инструкции механизмы с названием «картезианский робот» или «дельта робот» не нужно – производитель может использовать эту терминологию, а может или не использовать. В принципе, все необходимое для понимания принципов работы 3D-принтера по технологии FDM мы уже изучили, и можем готовиться к покупке.
Перед покупкой будет полезно изучить советы бывалых пользователей относительно того, что нужно иметь в дополнение к 3D-принтеру. Так, некоторые считают, что стоит купить кусачки, шпатель, набор шестигранников и набор иголок для прочистки сопел хорошего качества, потому что те, что идут в комплекте с принтером, обычно не слишком прочные [С. Сенников, 2023].
Для промывки готовых изделий рекомендуется иметь изопропиловый спирт (хотя бы 2-3 канистры), а еще для комфортной работы стоит приобрести пластиковые поддоны, бумажные салфетки, резиновые перчатки и обычный кулинарный шпатель для того, чтобы снимать готовую модель с рабочей платформы. В комментариях к обзору вы найдете и другие полезные советы для работы с 3D-принтером по технологии FDM.
Прочие технологии предполагают более дорогое и громоздкое оборудование, которое в домашних условиях обычно не применяется, поэтому профессиональные 3D-принтеры мы рассматривать не будем. Если вам нужно «раз в кои веки» напечатать что-то сложное, будет более рентабельно 3D-печать купить на заказ и не возиться с покупкой принтера и освоением 3D-печати самим. Как минимум потому, что работа с 3D-принтером требует определенных условий.
Техника безопасности при 3D-печати
Техника безопасности при использовании 3D-принтера играет важную роль для предотвращения возможных рисков. Еще на этапе планирования покупки 3D-принтера нужно хорошо подумать, где его установить так, чтобы обеспечить хорошую вентиляцию и не вдыхать испарения расплавленного пластика. И это не единственное, о чем нужно подумать.
Советы по мерам безопасности при работе с 3D-принтером:
- Вентиляция – помещение, где установлен 3D-принтер, должно хорошо проветриваться. В процессе печати могут выделяться пары и запахи, особенно при использовании некоторых материалов. Хорошая вентиляция поможет избежать вдыхания вредных для здоровья веществ.
- Электричество – 3D-принтер следует подключать к заземленной розетке, а электрическая проводка должна быть в исправном состоянии.
- Обучение – следует внимательно изучить инструкцию производителя перед подключением и началом работы принтера.
- Материалы – использовать следует только те материалы, для которых предназначен 3D-принтер. Хранить материалы следует в сухом темном месте и вне досягаемости детей и животных.
- Контроль за работой 3D-принтера – после начала печати нельзя оставлять принтер без присмотра и нужно постоянно наблюдать за процессом с тем, чтобы сразу обнаружить любые нештатные ситуации.
- Средства пожаротушения – следует иметь под рукой огнетушитель, потому что электроника и пластиковые материалы могут быть источниками возгорания.
- Уход за принтером – очистку и прочие работы с 3D-принтером следует производить в соответствии с инструкциями производителя. Перед тем как производить обслуживание нужно убедиться, что принтер отключен от розетки электропитания.
Соблюдение этих мер безопасности поможет предотвратить неприятные ситуации при работе с 3D-принтером, обеспечит вашу безопасность и удовольствие от работы с 3D-печатью.
Что можно напечатать на 3D-принтере?
И, наконец, самое главное, для чего мы рассматриваем 3D-печать на 3D-принтере. Что же можно напечатать? С помощью 3D-принтера можно изготавливать широкий спектр изделий, и мы рассмотрим самые популярные из возможных вариантов.
Дюжина идей для 3D-печати:
- Прототипы и модели – 3D-печать часто используется в прототипировании для того, чтобы быстро и относительно недорого создавать прототипы новых изделий, механизмов, архитектурных сооружений.
- Запасные детали – можно напечатать запасные детали для различных устройств, в том числе приборов бытовой техники.
- Украшения – можно создавать уникальные украшения. Например, бижутерию, кольца, браслеты и многое другое.
- Предметы домашнего обихода – можно напечатать полочку, крышечку, дверную ручку, держатель для телефона, подставку для чашки, разделочную доску.
- Посуда – 3D-принтер позволяет делать посуду, в том числе чашки, ложки, вилки, тарелки, салатницы.
- Предметы интерьера – возможности для создания декоративных элементов для дома бесконечны, от подсвечников до статуэток.
- Сувениры – на 3D-принтере можно напечатать объемные модели исторических памятников, кружки и тарелки с изображением исторических достопримечательностей и т.д.
- Игрушки – 3D-принтер позволяет создавать игрушки для детей в виде фигурок зверей, птиц, сказочных персонажей, роботов, деталей конструктора, пазлов.
- Моделирование – 3D-принтер станет отличным подспорьем для создания моделей беспилотных машин, дронов, игрушечных катеров и т.д.
- Искусство – вы можете создавать собственные произведения искусства. Например, объемные картины или скульптурные композиции.
- Сфера образования – для учебных целей можно напечатать трехмерные модели атомов, созвездий, биологических объектов и многого другого.
- Кулинарные эксперименты – некоторые 3D-принтеры способны печатать фигурки из шоколада и карамели, позволяя создавать интересные кулинарные декорации и формы.
Так, любителям кулинарных экспериментов будет интересен обзор шоколадного 3D-принтера Choc Creator 2.0 plus [А. Корнвейц, 2017]. Еще больше возможностей для работы с сахаросодержащими продуктами дает 3D-принтер ChefJet Pro – профессиональный кондитерский 3D-принтер от компании 3DSystems [3D Print Expo, 2019].
В принципе, сегодня можно найти немало готовых креативных идей для 3D-печати с доступом на скачивание файла в формате STL. Например, в обзоре «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере» [Top 3D Shop, 2016]. Или на «Топ-5 ресурсов с бесплатными 3D-моделями» [amperka, 2023].
Это лишь некоторые из примеров того, что можно создать с помощью 3D-принтера в домашних условиях. Возможности профессиональных 3D-принтеров, разумеется, шире. На сегодняшний день совершенно серьезно обсуждается 3D-печать органов и то, как биопринтер может спасти жизнь [Н. Игнатенко, 2023].
Так что если вы стоите на пороге выбора профессии, вы вполне можете связать свою жизнь с технологиями 3D-моделирования и 3D-печати и точно будете с работой в ближайшие десятилетия.
Мы желаем вам творческого полета фантазии и новых технических возможностей для ее реализации. Мы приглашаем вас на наши программы «Когнитивистика» и «Лучшие техники самообразования». И мы предлагаем ответить на вопрос по теме статьи:
