Введение в 3D-печать

ДИСКЛЕЙМЕР: Статья написана для начинающих и охватывает только самые общие моменты. Опытные печатники, я понимаю, что все гораздо сложнее, но такой материал на портале имеет место быть для просвещения новичков в 3D -печати.

Аддитивное производство или 3D-печать – это процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от субтрактивных технологий. Под субтрактивными технологиями подразумевается механообработка – удаление лишнего материала из массива заготовки.

История появления 3 D -принтеров

Самым первым устройством для создания 3D-прототипов была американская SLA-установка, разработанная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году и использующая стереолитографию. Халл сразу же создал фирму 3D Systems, которая изготовила первое устройство объемной печати под названием Stereolithography Apparatus.

В 1990 году был использован новый способ получения объемных «печатных оттисков» — метод наплавления. Его разработали Скотт Крамп, основатель компании Stratasys, и его жена, продолжившие развитие 3D-печати.

Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1995 году двумя студентами Массачусетского технологического института был модифицирован струйный принтер.

RepRap - проект был основан Эдрианом Боуером (Adrian Bowyer). Впервые представленная в марте 2005 года в блоге проекта RepRap идея включала в себя создание машины (с чертежами и программным обеспечением в свободном доступе), способной к воспроизведению самой себя. Отсюда и появилось название проекта Конечно, Reprap-принтер не может напечатать электронику или экструдер, но основные детали кинематики –может.

Наиболее популярна и распространена во всем мире технология FDM (она же FFF) – послойное наплавление нити, реализуемая большинством компаний в многочисленных принтерах «любительского» и «профессионального» классов. Филамент в виде полимерной нити подается в экструдер, где полимерная нить расплавляется и с её помощью формируется физическая модель в соответствии с конфигурацией сечения виртуальной CAD- модели.

Механизмы подачи

1. Direct

Экструдеры принято делить на две составные части: хот-энд (hot-end) и колд-энд (cold-end). Сначала принтер должен подать нить в зону нагрева, чтобы ее расплавить. Сами катушки пластика и находятся за пределами экструдера, а именно в колд-энде. Обычно колд-энд состоит из шагового двигателя и прижимного ролика, позволяющего нити проходить дальше, в зону нагрева. В этом случае он будет называться прямым (direct). Теперь перейдем ко второй части экструдера: так называемому хот-энду, где обеспечивается расплавление нити и выдавливание ее на платформу. Самыми важными частями в его конструкции являются нагревательный элемент, датчик для контроля температуры (термистор), ствол экструдера, термобарьер и сопло.

2. Bowden

Конструктивное отличие от Direct заключается в разделении составных частей экструдера и связи их с помощью длинной полой тефлоновой трубки. Пластик проталкивается колд-эндом с помощью длинной трубки в хот-энд, где плавится и наносится на платформу

Методы позиционирования

На текущий момент существует два основных метода позиционирования экструдера: это так называемое перемещение в декартовых координатах и метод, которым пользуются дельта принтеры. Декартовы координаты это построение трехмерных объектов с использованием трех осей: X и Y (отвечающие за длину и ширину объекта) и Z (отвечающая за высоту). В видео показан Wanhao Duplicator i3 - эта конструкция обрела свою популярность в первую очередь из-за удачного дизайна принтера RepRap Mendel, Prusa Mendel и последующей его модификации Prusa I3.

Материалы для FDM -принтера

ABS — акрилонитрилбутадиенстирол. Номер один по распространенности, чем обязан своей невысокой цене. Подходящая температура печати зависит от вязкости полимера и обычно находится в пределах 210-240 °С. Усадка этого термопласта составляет 0,4-2,5%, из-за чего изделие по краям может отлипать от стола, а на его поверхности могут появиться трещины. Растворяется в ацетоне. Хорошо склеивается, обрабатывается и окрашивается. Рекомендован для 3D-принтеров с закрытым корпусом.

PLA — полилактид. Один из самых универсальных пластиков для 3D-печати, который изготавливают из кукурузы. Имеет низкую усадку 0,2-0,5% и отличную межслоевую адгезию. Температура печати – 175-210°C. Растворяется дихлорэтаном и дихлорметаном. Из-за достаточно высокой твердости обрабатывается сложнее, чем АBS. Имеет очень низкую температуру размягчения (около 60°C) и может со временем разлагаться под действием внешней среды. Немного дороже ABS.

Nylon — полиамид. Обладает хорошими прочностными характеристиками. Температура использования готовых изделий от -60°C до +120°C. Высокая устойчивость к износу. Хорошо выдерживает деформации. Отличная межслоевая адгезия. Для успешной печати нейлоном потребуется нагреваемый стол, так как степень его усадки — 1,2-2%. Температура печати в зависимости от марки полиамида может составлять от 225 до 265 °C. Также лучше печатать в закрытом корпусе.

FLEX —Классический гибкий материал. Очень чувствителен к поверхности. Деламинация крайне мала из-за высокой гибкости материала. Хорошее межслойное слипание. Очень быстро и много впитывает воду, так что хранить нужно в закрытых пакетах с гидрогелем. Температура печати — 220-240 °C. HIPS PVA

HIPS — ударопрочный полистирол. HIPS, в отличие от ABS, растворяется только в лимонене (органическая кислота). Это позволяет комбинировать их, используя полистирол в качестве материала для поддержки. После печати его можно будет удалить, просто погрузив изделие в лимонен, не прибегая к механической очистке. Температура печати — 230-240 °C, усадка — 0,8%, хорошая ударопрочность и пластичность.

PVA — еще один материал поддержки. PVA растворим в воде, что делает его совершенно непригодным для создания долговечных изделий, но позволяет использовать в качестве опорного материала при печати моделей сложной геометрической формы. Рекомендуемая температура экструзии составляет 160-175°С. Будучи водорастворимым, материал гигроскопичен (легко впитывает влагу), что следует учитывать при хранении.

Слайсеры

Прежде чем распечатать какую-либо модель на 3D-принтере, сначала ее необходимо преобразовать из формата твердотельной модели (.stl) в программу для принтера, по которой он будет послойно печатать. Чаще всего в FDM-принтерах используется G-code - такой язык программирования, который использовался для станков с ЧПУ (чем кстати и является 3D-принтер). Программное обеспечение, которое делает такое преобразование, называется слайсером и зачастую встроено в 3D-визуализатор моделей. Он позволяет перед печатью посмотреть, как размещена модель на столе, построить поддержки и выбрать параметры печати: слой, скорость, заполнение, обдув и др.

1. Kisslicer

Существует в двух версиях - платной и бесплатной. Хорошо продуманная генерация поддержек. К сожалению, нет retraction - опции втягивания пластика обратно в экструдер при перемещении.

2. Slic3r

Удобный инструмент, подходящий почти ко всем принтерам и понятный новичкам в 3D-печати. Бесплатен, причем постоянно дорабатывается.

3. Makerbot desktop

Оболочка от известного производителя принтеров Makerbot. Содержит в себе слайсеры Skeinforge и Slic3r, что дает некоторый выбор для 3D-печати. Юзер-френдли интерфейс, прямой доступ из программы к онлайн-библиотеке моделей Thingiverse. Отличается не самыми гибкими настройками, потому что изначально задуман для 'родных' принтеров.



4. Repiter-Host

Repetier-Host имеет большое количество настроек и идет в комплекте с разнообразными Prusa’ми. Можно использовать софт Repetier-Server для удаленного управления принтером. Есть послойный просмотр.



5. Cura

Пожалуй, самый распространённый слайсер из всех. Бесплатен, так как разработана специалистами из Ultimaker, но совместим с большим количеством принтеров, в том числе reprap'ами. Есть генерация поддержек, весьма своеобразная, но эффективная. Можно смотреть на модель послойно. Автоматически рассчитывается расход материала, вес модели, время печати.



Хотелось бы выразить огромную благодарность компании Endurance за предоставленные оборудование и возможность.