Чем печатать на 3d принтере
Как работает 3D-принтер
И что можно на нём напечатать.
За последние пару лет появилось много новостей о том, что кто-то что-то распечатал на 3D-принтере:
Давайте разберёмся, как работает эта технология, какие у неё ограничения и за ней ли будущее.
Для чего нужен 3D-принтер
3D-принтеры печатают объёмные вещи из пластика или других материалов. Их можно использовать в быту или производстве. Например, вот что можно напечатать на 3D-принтере:
Корпус для батареек. 
Светодиодную лампу на шарнирах. 
Лампу в стиле Minecraft. 
Модель старинного замка.
Как это работает
Обычно для печати 3D-принтер использует специальный пластик. Он бывает в виде порошка, жидкой смолы или пластиковой проволоки в катушках. Именно из этого материала и будет состоять напечатанная деталь.
Дальше, если говорить грубо, процесс выглядит так:
Материал принимает нужную вам форму слой за слоем. Когда все слои пройдены, получается деталь.
Ускоренная съемка 3D-печати с помощью подвижного сопла:
Из-за того что принтеру нужно постоянно нагревать пластик, 3D-принтеры печатают не очень быстро: на деталь размером с телефон может уйти 15–20 минут. Ещё скорость зависит от толщины слоя: чем толще слой, тем быстрее печать. Но при большой толщине слоя деталь может получиться неаккуратной: будут видны слои:
Чем тоньше слой, тем более ровной получается поверхность при печати.
Технологии печати
3D-печать очень нужна в промышленности и промдизайне, поэтому существует целый зоопарк технологий печати, у каждой свои преимущества и недостатки.
Стереолитография. Вместо пластика здесь используется специальная смола, которая застывает на свету. Деталь тоже формируется слоями, но сами слои почти незаметны — смола заполняет рельеф и деталь кажется единым целым даже с очень близкого расстояния.
Синтез полимеров (SLS). При такой печати используется порошок, который потом запекается лазерным лучом. Так как лазерный луч можно сфокусировать в любом месте с нужной точностью, то таким способом печати можно получить очень сложные модели с высокой детализацией:
Polyjet. Особенность этой технологии в том, что в ней можно печатать объекты одновременно из разных материалов. Это позволяет создавать практически любые вещи самой сложной формы, которые сразу обладают нужными свойствами. На таком принтере можно напечатать даже кроссовки, которые можно носить:
Что можно напечатать
На 3D-принтере можно напечатать всё что угодно, если у вас есть подходящий материал для печати, готовая модель и достаточно большой принтер.
Прототипы. Часто перед началом производства компании нужно понять, насколько удобной получится вещь в использовании. Чтобы не запускать линию ради одного изделия, его печатают на 3D-принтере и смотрят, что нужно изменить или доработать. На таких прототипах можно заметить, например, что кнопки получились слишком маленькими и их будет неудобно нажимать или что кнопки оказались очень далеко от пальцев и до них нужно будет специально тянуться.
Запчасти и детали. Иногда найти запчасть от какого-то инструмента сложно или почти невозможно: производитель их не выпускает или модель давно снята с производства. В этом случае можно найти в интернете трёхмерную модель нужной детали или нарисовать её самому в редакторе, чтобы потом отправить это на печать.
Медицина. Трёхмерная печать активно используется в медицине для создания новых суставов, тканей и лечения пациентов. Отличие от традиционной печати в том, что вместо пластика там печатают специальными «живыми» растворами, которые взаимодействуют друг с другом и ведут себя как настоящие органы и ткани. Благодаря такой технологии сейчас легко напечатать сустав, который хирург может поставить человеку вместо повреждённого.
Хобби и моделирование. На 3D-принтере легко печатать разные миниатюры, коллекционные фигурки и модели.
Производство других роботов. 3D-принтеры пока не умеют производить сервоприводы и микропроцессоры, но уже умеют печатать корпуса и каркасы роботов.
Дома и здания. Берём здоровенные рельсы с моторами и контроллерами. Устанавливаем подвижное сопло, на которое можно подавать строительную смесь (бетон или полимеры). Можно печатать стены зданий. В отличие от традиционных технологий строительства из кирпича, панелей и блоков, форма стен и здания в целом может быть любой. Фундамент, перекрытия и крыша пока что не печатаются, но это пока.
Представьте: отправляем на Марс полсотни 3D-принтеров на подвижной основе. За год каждый из них печатает ещё по 100 принтеров. Далее все эти 5 000 принтеров разъезжаются по Марсу и начинают строить первую колонию. Пока они строят, мы заказываем в Икее мебель, оформляем доставку, и как раз к моменту доставки наши роботы всё допечатают. Яблони на Марсе вряд ли зацветут, а вот пятиэтажки — могут.
Критика и проблемы
❌ Медленно и без гарантий: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромная проблема в любительских принтерах — брак. Например, деталь может отклеиться от подложки прямо во время печати, и произойдёт ад. Или моторы раскалибруются, и сопло начнёт промазывать мимо нужных мест.
❌ Низкая эффективность: чтобы напечатать деталь 10 × 10 см, нужен принтер размером как минимум 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.
❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать пока что ограничена пластиками и смолами. Есть отдельные технологии печати на базе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нормальный токарь и станок. Но на станке можно сделать не всякую деталь.
❌ Не всегда понятно зачем. В промышленности 3D-принтеры используют для прототипирования, но в массовом производстве эти технологии не используются. Для домашнего применения тоже неясно: на 3D-принтерах печатают маленькие пластиковые штучки для любительских проектов… и всё. Очень мало случаев, когда обычный человек мог бы захотеть напечатать у себя дома что-то применимое в хозяйстве.
Что дальше
Дальше технология победит все проблемы младенчества и будет печатать вам еду, мебель и внутренние органы. Необязательно при нашей жизни, но наши дети и внуки наверняка застанут.
3D-печать для «чайников» от «чайника»
Недавно я стал владельцем 3D-принтера, до этого практически ничего не зная о 3D-печати, поэтому и решил поделиться своим опытом с такими же «чайниками», людьми, далекими от этой технологии. Моя статья предназначена именно и только для таких людей; советы же “3D-печатников» со стажем для начинающих могут оказаться бесполезными, в силу их сложности или определенной специфики. Я думаю, что мой пост, основанный личном опыте (и личных ошибках), не перегруженный техническими подробностями, будет весьма полезен широкой аудитории. Также, мое описание базируется на личном опыте использования 3D-принтера компании Creality Ender 3 Pro; возможно, сведения ниже будут бесполезны для моделей других компаний. К сожалению, я не в курсе нынешних российских реалий, и потому все, нижеописанное, касается моделей 3D-принтеров, популярных в США. Также заранее прошу прощения за некоторые слова и термины на английском; я честно пытался, но не всегда мог подобрать адекватный термин на русском.
Сначала приведу несколько «максим» и опровергнутых стереотипов (возможно, впрочем, лишь моих):
“3D-печать – дело сложное, дорогостоящее, и требующее специальных знаний” – это абсолютно не так! Возможно, так когда-то и обстояли дела, но в настоящий момент 3D-принтер – это консьюмерское устройство, которое не сложнее (а, скорее, даже, намного проще!) телевизора, смартфона, компьютера. Вдобавок, это достаточно дешевое, по современным меркам, хобби – одно из самых дешевых, наверное. Специальных знаний для 3D-печати дома не требуется, вернее, не более, что можно за небольшое время почерпнуть из FAQ на официальном сайте, а также в пользовательских формах.
“Для 3D-принтера требуется специальное помещение, потому что он воняет и сильно шумит” – это тоже не верно (или, точнее, не совсем верно). Существуют пластики, такие, как PLA и PETG, которые практически не выделяют запахов при печати, а также модели принтеров, снабженные практически бесшумными вентиляторами. Впрочем, и от entry level моделей шум не «фатальный», а, скажем, как от игрового десктопа/ноутбука в «навороченной» 3D-игре.
“Для 3D-печати нужно обязательно владеть программой трехмерного моделирования или CAD системой – совершенно необязательно! Существует огромное множество сайтов, предлагающий всевозможные 3D-модели для печати: и сканы знаменитых и не очень скульптур, и бюсты исторических личностей, и всевозможные фигурки героев мультфильмов, фильмов и компьютерных игр, и оригинальные остроумные поделки, вроде солнечных часов, показывающих время в цифровом виде, и бо̀льшую часть моделей можно скачать бесплатно – максимум, вас попросят зарегистрироваться для скачивания! Впрочем, владение CAD программой – это весьма неплохой навык (и, в особенности, для DIY-щика – у меня это был один из «пунктов» для покупки принтера), но я пока еще до этого не дошел – но как освою, то обязательно опишу свой опыт 😊
Принтер поставляется в виде аккуратно упакованного «конструктора сделай сам».
Впрочем, сборка, сильно облегчаемая видео (бумажная инструкция тоже полезна, но видео намного более наглядное), прилагаемом на идущей к принтеру micro SD-card, займет у вас не более часа-двух максимум, после чего принтер в буквальном смысле готов к работе! На что следует обратить внимание при сборке: это расположение «концевика» вертикальной оси (Z) – он норовит встать в, как бы, отведенное для него место, но все не так просто. Этот датчик очень важен (впрочем, все они важны, поэтому важно следовать инструкции по сборке пунктуально, и понимая, что именно ты делаешь), ибо он определяет расстояние сопла печатающей головки (hot end) от печатного стола (heated/print bed).
Основные элементы 3D принтера
А это расстояние весьма важно: если оно будет большим, вам никак не удастся правильно откалибровать положение печатающей головки, а если слишком малым, то печатающая головка может повредить покрытие печатного стола. Как сделал я (впрочем, это можно найти и в куче интернет руководств, и, наверное, на официальном сайте в FAQ – но я не искал): собрав принтер, я установил все четыре калибровочных «барашка» под печатным столом в «расслабленное» состояние, а «концевик» (endstop switch) оси Z закрепил на заведомо большем расстоянии, чтобы печатающая головка (hot end) гарантированно была на расстоянии от печатного стола. Затем включил принтер, и выбрал команду из меню “Auto Home”. После того, как принтер установил головку в «домашнее» положение, я его выключил, и вращая рукой мотор (stepper motor) оси Z, а также аккуратно перемещая «концевик», добился того, что «щелчок» «концевика» (а это и означает срабатывание датчика) был слышен по касанию головки поверхности стола, после чего закрепил «концевик» ключом намертво. Затем, взяв лист обыкновенной бумаги, и вращая «барашки» калибровочных винтов, а также перемещая печатающую головку по всей поверхности рабочего стола, добился того, что она перемещалась, слегка «царапая» лист. Но, к сожалению, подобной «холодной» калибровки будет недостаточно для удачной печати, потому я порекомендую способ «горячей калибровки», или «проверки боем». Вот в этом видео вы сможете увидеть, как происходит процесс калибровки, а также скачать необходимые файлы (ссылка есть в описании видео). Также там находится и ссылка на профили печати для Ender 3 Pro – также порекомендую их скачать (а для чего они нужны, расскажу позже).
Модели в gcode, идущие в комплекте с Ender 3D Pro
Печатать можно где угодно – в офисе, в столовой, в гостиной, в общем, там, где вы собирали дивайс. Позже я расскажу, где лучше разместить принтер на постоянной основе, но для пробной печати годится любое место – ни какого-то неприятного запаха, ни особого шума не будет.
Но тут вам нужно заранее учесть такую вещь: 3D-печать занимает чертовски много времени! Даже небольшая по размеру модель может печататься несколько часов (а большая – так и несколько суток!), в зависимости от выбранных настроек слайсера, скорости и настроек принтера. Так, что, начиная печатать, примите это во внимание – процесс печати, конечно, можно поставить на паузу (а потом возобновить), но для начала я бы порекомендовал довести процесс без перерывов – ну, чтобы увидеть реальный хороший результат, и почувствовать уверенность в своих силах, а также возможностях принтера.
Тут я хочу упомянуть еще о нескольких полезных усовершенствованиях принтера, которые будут полезны новичку (впрочем, эти усовершенствования опциональны).
Приложение это активно развивается и прекрасно поддерживается, обладает весьма обширной и дружелюбной комьюнити; множество полезных фич реализованы или прямо «из коробки», либо с помощью плагинов; документация также обширна и исчерпывающа. Инсталляция, а также подключение к принтеру, чрезвычайно просты: скачиваем образ sd-card, редактируем конфигурационный файл (указываем credentials своей точки доступа WiFi), копируем на карту, подключаем с помощью micro USB ↔ micro USB OTG кабеля к принтеру – и профит!
Мой RPi Zero W с камерой и температурным датчиком, подключенный к Ender 3D Pro
Теперь хочу поделиться своими соображениями о том, где лучше всего разместить ваш новый, только что купленный 3D-принтер. 3D-печать, вообще-то, процесс «теплолюбивый», поэтому весьма желательно размещение принтера в отапливаемом помещении с комнатной температурой (как минимум 20 °C – в 3D печати традиционно используется температура в градусах Цельсия – ну, или 70 по Фаренгейту). Как я уже писал, в самом начале, при печати некоторыми видами filament, например, PLA, нет никаких неприятных запахов, да и шум от вентиляторов сравним с шумом вентиляторов игрового десктопа или лэптопа при навороченной 3D игре. Т.е. при отсутствии специального помещения (мастерской в подвале или гараже), вполне возможна установка принтера в офисе, или даже детской игровой комнате, или family room. Более того, есть способ, путем покупки чехла для принтера (printer enclosure), уменьшить или вообще свести на нет как возможные запахи, так и вероятный шум. Об этом я расскажу подробнее позже.
Лично я установил принтер в своей «мастерской», в подвале. Там мы сильно не топим, но поддерживаем температуру чуть ниже комнатной. Учтите, что принтер, и сам по себе, занимает определенный объем; также вам понадобится место для размещения катушек с filament-ом, место для обработки моделей. Но, если же вы собираетесь работать с ABS пластиком, и заниматься «финишированием» ABS моделей путем «ацетоновой бани», то однозначно лучше работать в нежилом помещении. О свойствах некоторых пластиков, используемых при 3D печати, я расскажу в следующей части.
Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Чем же печатают 3D-принтера?
3D печать основана на технологии послойного выращивания твёрдых объектов из различных материалов. Объёмные модели печатаются из пластика, бетона, гидрогеля, металла и даже из живых клеток и шоколада. В настоящей статье мы представим краткий обзор наиболее популярных материалов для 3D печати.
ABC-пластик
АBC-пластик известен как акрилонитрилбутадиенстирол. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Такой пластик не имеет запаха, не токсичен, ударопрочен и эластичен. Температура плавления АВС-пластика составляет от 240°С до 248°С. Он поступает в розничную продажу в виде порошка или тонких пластиковых нитей, намотанных на бобины.
3D модели из АВС-пластика долговечны, но не переносят прямой солнечный свет. С помощью такого пластика можно получить только непрозрачные модели.
АВС-пластик для 3D печати
Акрил
Акрил используется в 3D печати для создания прозрачных моделей. При использовании акрила необходимо учитывать следующие особенности: для данного материала нужна более высокая температура плавления, чем для АВС-пластика, и он очень быстро остывает и твердеет. В разогретом акриле появляется множество мелких воздушных пузырьков, которые могут вызвать визуальные искажения готового изделия.
Изделия, напечатанные из акрила
Бетон
В настоящее время изготовлены пробные образцы 3D принтеров для печати бетоном. Это огромные печатающие устройства, которые кропотливо, слой за слоем, «печатают» из бетона строительные детали и конструкции. Такой 3D принтер может всего лишь за 20 часов «напечатать» жилой двухэтажный дом общей площадью 230 м2.
Для 3D печати используется усовершенствованный сорт бетона, формула которого на 95% совпадает с формулой обычного бетона.
Изделия, напечатанные бетоном
Гидрогель
Учёные из иллинойского Университета (США) напечатали при помощи 3D принтера и гидрогеля биороботов длиной 5-10 мм. На поверхность биороботов поместили клетки сердечной ткани, которые распространились по гидрогелю и начали сокращаться, приводя в движение робота. Такие роботы из гидрогеля способны передвигаться со скоростью 236 микрометров в секунду. В будущем они будут запускаться в организм человека для обнаружения и нейтрализации опухолей и токсинов, а также для транспортировки лекарственных препаратов к месту назначения.
Биороботы из гидрогеля, напечатанные 3D принтером
Бумага
В некоторых 3D принтерах в качестве материала для печати используется обычная бумага формата А4. Так как бумага – это доступный и недорогой материал, то и бумажные модели получаются недорогими и доступными для пользователей. Такие модели печатаются послойно, причём каждый последующий слой бумаги вырезается принтером и наклеивается на предыдущий. Модели из бумаги печатаются быстро, но не могут похвастаться прочностью или эстетичностью. Они идеально подойдут для быстрого прототипирования компьютерного проекта.
3D модели, напечатанные из бумаги
В современной 3D печати широко применяются гипсовые материалы. Модели, изготовленные из гипса, недолговечны, но имеют очень низкую себестоимость. Такие модели идеально подходят для изготовления объектов, предназначенных для презентаций. Их можно показывать в качестве образца заказчикам и клиентам, они отлично передадут форму, структуру и размер оригинального изделия. Так как гипсовые модели отличаются высокой термостойкостью, их используют в качестве образцов для литья.
3D модель, напечатанная из гипса
Деревянное волокно
Изобретатель Кай Парти разработал специальное деревянное волокно для 3D печати. Волокно состоит из дерева и полимера и по своим свойствам похоже на полиактид (PLA). Комбинированный материал позволяет получить долговечные и твёрдые модели, которые внешне выглядят как деревянные изделия и имеют запах свежеспиленного дерева. В настоящее время инновационный материал используется только в самореплицирующихся принтерах RepRap.
3D модель, напечатанная деревянным волокном
Фигура, напечатанная льдом
Металлический порошок
Ни один пластик не сможет заменить металл с его приятным мягким блеском и высокой прочностью. Поэтому в 3D печати очень часто используется порошок из лёгких и драгоценных металлов: меди, алюминия, их сплавов, а также золота и серебра. Однако металлические модели не обладают достаточной химической стойкостью и имеют высокую теплопроводность, поэтому в металлический порошок для печати добавляют стекловолоконные и керамические вкрапления.
Украшения из металлического порошка, напечатанные 3D принтером
Нейлон
Печать нейлоном имеет много общего с печатью АВС-пластиком. Исключениями являются более высокая температура печати (около 320°С), высокая способность впитывать воду, более продолжительный период застывания, необходимость откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона. Нейлон – это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки, нейлон с успехом используют в 3D печати, так как детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АВС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.
Нейлоновая нить для 3D печати
Изделия из нейлона, напечатанные 3D принтером
Поликапролактон (PCL)
Поликапролактон близок по свойствам к биоразлагаемым полиэфирам. Это один из самых популярных расходных материалов для 3D печати. Он имеет низкую температуру плавления, быстро затвердевает, обеспечивает прекрасные механические свойства готовых изделий, легко разлагается в человеческом организме и безвреден для человека. Кроме того, он может применяться сразу в нескольких технологиях 3D печати: SLS, ZCorp и FDM.
Поликапролактон для 3D принтера
Поликарбонат (PC)
Поликарбонат – это твёрдый пластик, который способен сохранять свои физические свойства в условиях экстремально высоких и экстремально низких температур. Обладает высокой светонепроницаемостью, имеет высокую температуру плавления, удобен для экструзионной обработки. При этом его синтез сопряжён с рядом трудностей и экологически не безвреден. Используется для печати сверхпрочных моделей в нескольких технологиях 3D печати: SLS, LOM и FDM.
Полилактид (PLA)
Полилактид – это самый биологически совместимый и экологически чистый материал для 3D принтеров. Он изготавливается из остатков биомассы, силоса сахарной свёклы или кукурузы. Имея массу положительных свойств, полилактид имеет два существенных недостатка. Во-первых, изготовленные из него модели недолговечны и постепенно разлагаются под действием тепла и света. Во-вторых, стоимость производства полилактида очень высока, а значит и стоимость моделей будет значительно выше аналогичных моделей, изготовленных из других материалов. Используется в технологиях 3D печати: SLS и FDM.
Полилактидная нить и изделия, напечатанные полилактидом на 3D принтере
Полипропилен (PP)
Полипропилен – это самая лёгкая из всех ныне существующих пластических масс. По сравнению с полиэтиленом низкого давления хуже плавится и лучше противостоит истиранию. При этом уязвим к активному кислороду и деформируется при отрицательных температурах.
Полипропилен для 3D печати
Полифенилсульфон (PPSU)
Данный материал пришёл в 3D печать из авиапромышленности. Он практически не горит, характеризуется теплостойкостью, высокой твёрдостью. Напоминает обычное стекло, но превосходит его по прочности. Используется в технологиях 3D печати: SLS и FDM.
Полиэтилен низкого давления (HDPE)
Это самый распространённый вид пластмассы в мире, из которого изготавливают ПЭТ-бутылки, канистры, трубы, плёнки, пакеты и т.д. В 3D печати полиэтилен низкого давления является непревзойдённым лидером. Данный материал может быть использован в любой технологии 3D печати.
Полиэтиленовая обувь, напечатанная на 3D принтере
Шоколад
Британские учёные представили публике первый шоколадный 3D принтер, который печатает любые шоколадные фигурки, заказанные оператором. Принтер наносит каждый следующий слой шоколада поверх предыдущего. Благодаря способности шоколада быстро застывать и твердеть при охлаждении, процесс печати протекает довольно быстро. В ближайшем будущем такие принтеры будут востребованы в кондитерских и ресторанах.
Шоколадный принтер в работе
Прочие материалы
Существуют 3D принтеры, которые предназначены для печати глиняными смесями, известковым порошком, продуктами питания, живыми органическими клетками и многими другими удивительными материалами. О том, какие материалы для 3D печати будут использоваться в ближайшем будущем, остаётся лишь догадываться.