Что такое 3д печать и как работает
Как работает 3D принтер: объяснение на простых примерах
3D-печать распространена повсеместно. Она позволяет создать что угодно — от прототипов всевозможных изделий, до функциональных частей реактивных двигателей самолетов и космических аппаратов, от канцелярских принадлежностей и автозапчастей, до шоколадок и сувениров.
Но, как именно работают 3D-принтеры, как они создают трехмерные объекты любой возможной формы — знают еще не все. Если вы хоть раз задавались этими вопросами, то перед вами — самое простое объяснение 3D-печати.
Общие принципы 3D-печати
Принцип 3D-печати по любой существующей технологии — создание объемных объектов из совокупности плоских слоев.
Цифровая модель изделия разделяется на слои специальной программой — слайсером, а принтер печатает эти слои, один на другом, составляя из них трехмерный объект. Так, из множества слоев, получается объемная деталь.
Общий принцип один, но технологии различаются; самая распространенная и доступная среди них — FDM.
FDM
Моделирование методом послойного наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF) — самый популярный и массовый тип 3D-печати.
Единственное отличие в том, что 3D-принтеры используют не стержни термоклея, а пластиковый филамент намотанный на катушки.
Самые распространенные материалы для FDM (FFF) — пластики ABS и PLA.
Пластиковая нить, она же филамент, выпускается в такой форме для того, чтобы она могла легко плавиться при заданной температуре, но очень быстро застывать — после охлаждения всего на пару градусов. Именно это и позволяет печатать 3D изделия со сложной геометрией с высокой точностью.
Проще говоря, 3D-печать отличается от традиционной 2D-печати только тем, что повторяется снова и снова, создавая слой за слоем, один на поверхности другого. В конце концов, тысячи слоев образуют 3D-объект.
FDM-принтер на примере MakerBot Replicator 2
Стереолитография
Стереолитография использует свет для “выращивания” объектов в емкости с фотополимерной смолой. Как и в прочих технологиях 3D-печати, изделие образуется слой за слоем, здесь — при отверждении жидкого фотополимера светом.
От FDM стереолитография отличается более монолитными принтами, даже с одинаковой заданной толщиной слоя.
На фото: принты FDM и SLA, слой обеих моделей — 0,1 мм.
Дело в разнице в технологиях — фотополимерная засветка дает более аккуратные слои, чем расплавленный филамент выдавливаемый из сопла FDM-принтера.
SLA и DLP — две разновидности стереолитографии. SLA — лазерная стереолитография, DLP — цифровая проекция. Различие между ними в том, что в SLA источником света служит лазер, а в DLP — проектор.
Независимо от технических особенностей, принцип работы устройств SLA и DLP схож. Для запуска печати необходимо опустить специальную платформу построения в емкость с жидкой фотополимерной смолой.
Платформа останавливается на высоте одного слоя от дна емкости.
Происходит засветка источником света принтера.
Жидкий полимер, под воздействием света, становится твердым и прилипает к платформе построения. После этого платформа поднимается на высоту еще одного слоя и процесс повторяется.
SLA-принтер на примере Formlabs Form 2
SLA дает более гладкие поверхности, по сравнению не только с FDM, но и с DLP, о которой рассказываем далее.
Так получается потому, что DLP проецирует слои картинкой из пикселей, а луч лазера в SLA движется непрерывно, что дает ровный, не пикселизованный слой.
DLP в тех же целях использует проектор, а LED DLP — ЖК-дисплей с ультрафиолетовой подсветкой. В этих конструкциях свет проецируется на смолу по всей площади слоя одновременно, что дает преимущество в скорости, когда необходима печать крупных объектов с заполнением в 100% — полная засветка слоя происходит быстрее, чем в SLA.
Но при печати мелких или пустотелых объектов SLA быстрее, так как интенсивность засветки лазерным лучом, а значит и скорость полимеризации, выше.
DLP-принтер на примере SprintRay MoonRay S
SLS
Главное преимущество технологии перед FDM и SLA — SLS-печать не требует создания поддерживающих структур, ведь материалом поддержки служит окружающий модель материал — это позволяет печатать изделия любой формы, с любым количеством внутренних полостей, и заполнять ими весь рабочий объем принтера. SLS-принтеры работают с широким спектром материалов, а их принты прочнее, чем большинство напечатанных FDM или стереолитографией.
Благодаря прочностным характеристикам, напечатанные на SLS-принтерах детали могут использоваться в практических целях, а не только как прототипы и декоративные элементы.
Для создания объекта аппарат направляет лазер на слой мелкофракционного порошка, сплавляя частицы друг с другом для формирования слоя изделия. Затем, устройство рассыпает следующую порцию порошка на поверхность готового слоя и разравнивает его, а лазер расплавляет, создавая следующий слой изделия. Процедура повторяется до тех пор, пока печать не будет завершена.
Тем не менее, некоторые компании в настоящее время работают над тем, чтобы сделать данную технологию более доступной, поэтому есть шанс, что приобрести SLS-принтер в ближайшем будущем смогут позволить себе даже любители. Один из примеров — польская компания Sinterit.
SLS-принтер на примере Sinterit Lisa Pro
Извлеченная из SLS-принтера модель не требует удаления поддержек и может использоваться без постобработки, ее надо лишь очистить от лишнего порошка.
Polyjet
Главное преимущество технологии Polyjet в ее мультиматериальности — многие Polyjet-принтеры способны печатать объект большим количеством различных материалов одновременно, что позволяет создавать изделия состоящие из участков с разными механическими и оптическими свойствами, то есть — разной твердости и цвета. Это фирменная технология компании Stratasys.
Пример: принтер Stratasys и напечатанные на нем кроссовки.
Polyjet 3D-принтеры распыляют крошечные капельки фотополимерной смолы на поверхность и полимеризуют их ультрафиолетовым излучением.
Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет создан объект. В отличие от FDM-принтеров, Polyjet-устройства могут наносить материал из многочисленных сопел одновременно.
Polyjet-принтер на примере Stratasys J750
Заключение
Прочитав эту статью, вы ознакомились с принципами и примерами работы 3D-принтеров функционирующих по самым распространенным технологиям.
Существуют и другие технологии, в основном — связанные с 3D-печатью металлами, но они используются только в промышленности. О них мы поговорим отдельно.
Чтобы выбрать 3D-печатное оборудование и материалы для любых задач обращайтесь в Top 3D Shop — проконсультируем, подберем максимально подходящую технику и расходники, оформим заказ, доставим, установим и научим.
Что такое 3D-печать? Принцип работы / Типы / Применение
Концепция 3D-печати была изложена Дэвидом Джонсом (David E.H. Jones) в 1974 году. Однако методы и материалы для изготовления моделей были разработаны только в начале 1980-х годов.
Термин «3D-печать» охватывает многочисленные процессы и методы, которые предлагают широкий спектр возможностей для производства деталей и изделий из различных материалов. В последние годы эти процессы значительно развились и в настоящее время могут играть решающую роль во многих областях применения.
Эта обзорная статья призвана объяснить различные типы и процессы 3D-печати, как они работают, и каковы их использование и преимущества на текущем рынке. Давайте начнем с самого главного вопроса.
Что такое 3D-печать?
3D-печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс создания физического объекта из трехмерной цифровой модели или модели САПР. Он включает в себя различные компьютерные технологии, в которых материал соединяется или затвердевает для создания реального объекта.
Как правило, материал (такой как частицы порошка или молекулы жидкости, слитые вместе) добавляется слой за слоем в миллиметровом масштабе. Вот почему 3D-печать также называют процессом аддитивного производства.
Изображение иллюстрирует, как 3D-принтер печатает трехмерные объекты слой за слоем
В 1990-х годах технологии 3D-печати назывались быстрым прототипированием. Они были пригодны только для изготовления эстетических или функциональных прототипов. С тех пор мы прошли долгий путь.
Современная технология 3D-печати достаточно продвинута, чтобы создавать сложные структуры и геометрии, которые иначе было бы невозможно создать вручную.
Как именно это работает?
Все методы 3D-печати основаны на том же принципе: 3D-принтер берет цифровую модель (в качестве входных данных) и превращает ее в физический трехмерный объект, добавляя материал слой за слоем.
Это способ отличается от традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением и обработка с ЧПУ, которые используют различные режущие инструменты для построения желаемой структуры из сплошного блока. 3D-печать, однако, не требует никаких режущих инструментов: объекты изготавливаются непосредственно на встроенной платформе.
Процесс начинается с цифровой 3D-модели (проект объекта). Программное обеспечение (специфичное для принтера) нарезает трехмерную модель на тонкие двумерные слои. Затем он преобразует их в набор инструкций на машинном языке для выполнения принтером.
В зависимости от типа принтера и размера объекта печать занимает несколько часов. Печатный объект часто требует постобработки (например, шлифовки, нанесения лака, краски или других видов обычных завершающих штрихов) для достижения оптимальной отделки поверхности, что требует дополнительного времени и ручного труда.
Различные типы 3D-принтеров используют различные технологии, которые обрабатывают различные материалы по-разному. Пожалуй, самое основное ограничение 3D-печати, с точки зрения материалов и приложений, заключается в том, что нет единого универсального решения.
Типы/Процессы 3D-печати
Согласно стандарту ISO / ASTM 52900 все процессы 3D-печати можно разделить на семь групп. Каждый имеет свои плюсы и минусы, связанные с ним, которые обычно включают такие аспекты, как стоимость, скорость, свойства материала и геометрические ограничения.
1. Фотополимеризация VAT
Иллюстрация SLA: лазер (а) избирательно освещает прозрачное дно (с) резервуара, заполненного (б) жидкой фотополимеризующейся смолой. Подъемная платформа (e) постепенно вытягивает затвердевшую смолу (d).
3D-принтер на основе фотополимеризации Vat имеет контейнер, заполненный фотополимерной смолой, которая закалена с помощью источника ультрафиолетового света для создания объекта. Три наиболее распространенные формы полимеризации чана являются:
1A) Стереолитография (SLA): Изобретенная в 1984 году, SLA использует ультрафиолетовый лазер для сшивания химических мономеров и олигомеров с образованием полимеров, которые составляют тело трехмерного твердого тела. Хотя процесс быстрый и может построить практически любую структуру, он может быть дорогим.
1b) Цифровая обработка света (DLP): в нем используются обычные источники света, такие как дуговые лампы (вместо лазеров). Каждый слой объекта проецируется на ванну с жидкой смолой, которая затем затвердевает слой за слоем при подъеме или опускании подъемной платформы.
1c) Непрерывное производство жидкостных интерфейсов (CLIP): оно похоже на стереолитографию, но непрерывно и до 100 раз быстрее. CLIP может производить резиновые и гибкие объекты с гладкими сторонами, которые невозможно создать другими методами.
2. Экструзия материала
Иллюстрация экструзии материала: форсунка (1) наносит материал (2) на сборочную платформу (3).
В этом процессе нить из твердого термопластичного материала проталкивается через нагретое сопло, которое расплавляет материал и осаждает его на строительной платформе по заданному пути. Этот материал в конечном итоге охлаждается и затвердевает, образуя трехмерный объект. Наиболее часто используемые методы в этом процессе являются:
2a) Моделирование наплавки (FDM): в нем используется непрерывная нить из термопластичного материала, такого как нейлон, термопластичный полиуретан или полимолочная кислота.
2b) Робокастинг: Роботизированная обработка включает в себя экструзию пастообразного материала из небольшого сопла, в то время как сопло перемещается по строительной платформе. Этот процесс отличается от FDM тем, что после экструзии не требуется сушка или застывание материала для сохранения его формы.
3. Sheet Lamination – объединение листовых материалов
Некоторые принтеры используют бумагу и пластик в качестве строительного материала, чтобы снизить стоимость печати. В этом методе несколько слоев клеящего пластика, бумаги или металлических ламинатов последовательно соединяются вместе и обрезаются до нужной формы с помощью лазерного резака или ножа.
Разрешение слоя может быть определено исходным материалом. Обычно оно составляет от одного до нескольких листов копировальной бумаги. Процесс может быть использован для изготовления больших деталей, но точность размеров конечного изделия будет значительно ниже, чем у стереолитографии.
4. Направленное осаждение энергии
Метод осаждения направленной энергии широко используется в высокотехнологичной металлургии и в быстром производстве. Печатное устройство содержит сопло, которое крепится к многоосевому манипулятору робота. Сопло наносит металлическую энергию на платформу для сборки, которая затем плавится лазером, плазмой или электронным лучом, образуя твердый объект.
Этот тип 3D-печати поддерживает различные металлы, функционально классифицированные материалы и композиты, включая алюминий, нержавеющую сталь и титан. Он не только может конструировать совершенно новые металлические детали, но также может прикреплять материал (ы) к существующим деталям, что позволяет использовать гибридное производство.
5. Струйная обработка материалов
Части, напечатанные в процессе струйной обработки материала
Струйная печать работает аналогично струйным бумажным принтерам. В этом процессе светочувствительный материал наносится каплями через сопло небольшого диаметра, а затем затвердевает при помощи ультрафиолетового света, создавая деталь послойно.
Материалы, используемые в этой технике, представляют собой термореактивные фотополимеры (акрилы). Также доступны многокомпонентная печать и широкий спектр материалов (включая резиноподобные и прозрачные материалы).
Поскольку струйная печать материалов 3D-печати позволяет создавать детали с высокой точностью размеров с гладкой поверхностью, это привлекательный вариант для изготовления как визуальных прототипов, так и коммерческих инструментов.
6. Струйная переплетная обработка
Полноцветная печать, напечатанная из песчаника с помощью Binder Jetting
Для струйной обработки связующего используется два материала: порошковое основание и жидкое связующее. Порошок распределяется равномерными слоями в строительной камере, а связующее наносится через струйные форсунки, которые «склеивают» частицы порошка для создания нужного объекта.
Воск или термореактивный полимер часто смешивают со связующим порошком для повышения его прочности. После завершения 3D-печати, оставшийся порошок собирается и используется для печати другой структуры.
Так как эта технология очень похожа на струйную печать, она также называется инжекционной 3D-печатью. В основном она используется для печати деталей из эластомеров, свесов и цветных прототипов.
7. Слияние порошкового слоя
Слияние порошкового слоя представляет собой подгруппу аддитивного производства, при котором источник тепла (например, термопечатающая головка или лазер) используется для объединения материала в порошкообразную форму для создания физических объектов. Пятью наиболее распространенными формами этой технологии являются:
7a) Селективное лазерное спекание (SLS): в качестве источника энергии используется лазер для спекания порошкообразного материала, такого как полиамид или нейлон. Здесь термин спекания относится к процессу уплотнения и формирования твердой массы материала путем приложения давления или тепла без плавления его до точки сжижения.
7b) Селективное лазерное плавление (SLM): в отличие от SLS, этот метод предназначен для полного расплавления и плавления металлических порошков вместе. Он может создавать полностью плотные материалы (слой за слоем), которые имеют механические характеристики, аналогичные тем из традиционных изготовленных металлов. Это один из быстро развивающихся процессов, который реализуется как в промышленности, так и в научных исследованиях.
7c) Электронно-лучевая плавка (EBM): в этом процессе сырье (проволока или металлический порошок) помещают в вакуум и сплавляют вместе, используя электронный луч. Хотя EBM можно использовать только с проводящими материалами, он обладает превосходной скоростью сборки благодаря более высокой плотности энергии.
7d) Выборочное тепловое спекание (SHS): в нем используется термическая печатающая головка для подачи тепла на слои порошкообразного термопласта. Как только слой закончен, слой порошка перемещается вниз, и добавляется новый слой материала, который затем спекается для формирования следующего поперечного сечения модели. Этот метод лучше всего подходит для изготовления недорогих прототипов и деталей для функционального тестирования.
Применение
В последнее десятилетие 3D-печать получила значительное развитие. Поскольку ее можно использовать для быстрого изготовления сложных конструкций по более низкой цене, она стала незаменимым инструментом в различных отраслях промышленности, начиная от коммерческого производства и медицины и заканчивая архитектурой и нестандартным дизайном.
Многие технологии производства добавок могут быть использованы для производства пищевых продуктов. Современные 3D-принтеры поставляются с предустановленными рецептами на встроенном компьютере, а также позволяют пользователям удаленно создавать свои продукты питания на компьютерах и смартфонах. Пища, напечатанная на 3D-принтере, может быть изменена по текстуре, цвету, форме, вкусу и питанию.
Технология также доказала свою эффективность в фармацевтических составах. Первый препарат, изготовленный компанией 3D Printing, был выпущен в 2015 году. В том же году FDA одобрило первый планшет с 3D-печатью.
3D-принтер Zero-G отправлен на МКС в 2014 году
В 2014 году компания SpaceX доставила на Международную космическую станцию первый трехмерный принтер. В настоящее время он используется космонавтами для печати таких полезных инструментов, как торцовый ключ.
В настоящее время технологические компании интегрируют аддитивное производство с облачными вычислениями для обеспечения децентрализованного и географически независимого распределенного производства. Некоторые компании предлагают услуги онлайн-3D-печати (через веб-сайт) как частным, так и коммерческим клиентам.
Будущее 3D-печати
Факторы, которые, как ожидается, будут стимулировать рост рынка, включают в себя агрессивные исследования и разработки и растущий спрос на приложения для создания прототипов из различных отраслей промышленности, в частности, автомобильной, аэрокосмической, оборонной и медицинской.
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.