3D-печать для “чайников” или "что такое 3D-принтер?"


Термин 3D-печать

Термин 3D-печать имеет несколько синонимов, один из которых достаточно кратко и точно характеризует сущность процесса – «аддитивное производство», то есть производство за счет добавления материала. Термин был придуман не случайно, ибо в этом и состоит основное отличие множественных технологий 3D-печати от привычных методов промышленного производства, получивших в свою очередь название «субтрактивных технологий», то есть «отнимающих». Если при фрезеровке, шлифовке, резке и прочих схожих процедурах лишний материал удаляется с заготовки, то в случае с аддитивным производством материал постепенно добавляется до получения цельной модели.


В скором времени 3D-печать будет опробована даже на Международной космической станции

Строго говоря, многие традиционные методы можно было бы отнести к «аддитивным» в широком смысле этого слова – например, литье или клепку. Однако стоит иметь в виду, что в этих случаях либо требуется расход материалов на изготовление специфических инструментов, занятых в производстве конкретных деталей (как в случае с литьем), либо весь процесс сводится к соединению уже готовых деталей (сварке, клепке и пр.). Для того чтобы технология классифицировалась как «3D-печать», необходимо построение конечного продукта из сырья, а не заготовок, а формирование объектов должно быть произвольным – то есть без использования форм. Последнее означает, что аддитивное производство требует программной составляющей. Грубо говоря, аддитивное производство требует управления с помощью компьютеров, чтобы форму конечных изделий можно было определять за счет построения цифровых моделей. Именно этот фактор и задержал широкое распространение 3D-печати до того момента, когда числовое программное управление и 3D-проектирование стали общедоступными и высокопроизводительными.

Методы 3D-печати

Технологий 3D-печати существует великое множество, названий же для них еще больше ввиду патентных ограничений. Тем не менее, можно попробовать разделить технологии по основным направлениям:

Экструзионная печать

Сюда входят такие методы, как послойное наплавление (FDM) и многоструйная печать (MJM). В основе этого метода лежит выдавливание (экструзия) расходного материала с последовательным формированием готового изделия. Как правило, расходные материалы состоят из термопластиков, либо композитных материалов на их основе.

Плавка, спекание или склеивание

Этот подход основывается на соединении порошкового материала в единое целое. Формирование производится разными способами. Наиболее простым является склеивание, как в случае со струйной трехмерной печатью (3DP). Подобные принтеры наносят на рабочую платформу тонкие слои порошка, которые затем выборочно склеиваются связующим материалом. Порошки могут состоять из практически любого материала, который можно измельчить до состояния пудры – пластика, древесины, металла.


Эта модель автомобиля Aston Martin, принадлежавшего Джеймсу Бонду, была успешно напечатана на SLS-принтере компании Voxeljet и не менее успешно взорвана во время съемок фильма «Координаты Скайфолл» вместо дорогого оригинала

Наиболее популярными же в данной категории стали технологии лазерного спекания (SLS и DMLS) и плавки (SLM), позволяющие создавать цельнометаллические детали. Как и в случае со струйной трехмерной печатью, эти устройства наносят тонкие слои порошка, но материал не склеивается, а спекается или плавится с помощью лазера. Лазерное спекание (SLS) применяется для работы как с пластиковыми, так и с металлическими порошками, хотя металлические гранулы обычно имеют более легкоплавкую оболочку, а после печати дополнительно спекаются в специальных печах. DMLS – вариант SLS установок с более мощными лазерами, позволяющими спекать непосредственно металлические порошки без добавок. SLM-принтеры предусматривают уже не просто спекание частиц, а их полную плавку, что позволяет создавать монолитные модели, не страдающие от относительной хрупкости, вызываемой пористостью структуры. Как правило, принтеры для работы с металлическими порошками оснащаются вакуумными рабочими камерами, либо замещают воздух инертными газами. Подобное усложнение конструкции вызывается необходимостью работы с металлами и сплавами, подверженными оксидации – например, с титаном.

Стереолитография


Схема работы SLA-принтера

Стереолитографические принтеры используют специальные жидкие материалы, называемые «фотополимерными смолами». Термин «фотополимеризация» указывает на способность материала затвердевать под воздействием света. Как правило, такие материалы реагируют на облучение ультрафиолетом.

Смола заливается в специальный контейнер с подвижной платформой, которая устанавливается в позиции возле поверхности жидкости. Слой смолы, покрывающий платформу, соответствует одному слою цифровой модели. Затем тонкий слой смолы обрабатывается лазерным лучом, затвердевая в точках соприкосновения. По окончании засветки платформа вместе с готовым слоем погружаются на толщину следующего слоя, и засветка производится вновь.

Ламинирование


Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)

Некоторые 3D-принтеры выстраивают модели, используя листовые материалы – бумагу, фольгу, пластиковую пленку.

Слои материала наклеиваются друг на друга и обрезаются по контурам цифровой модели с помощью лазера или лезвия.

Такие установки хорошо подходят для макетирования и могут использовать очень дешевые расходные материалы, включая обычную офисную бумагу. Тем не менее, сложность и шумность таких принтеров, вкупе с ограниченными возможностями изготовляемых моделей ограничивают их популярность.

Наиболее популярными методами 3D-печати, применяемыми в быту и в офисных условиях стали моделирование методом послойного наплавления (FDM) и лазерная стереолитография (SLA).

Остановимся на этих технологиях поподробнее.

Печать методом послойного наплавления (FDM)

FDM – пожалуй, наиболее простой и доступный метод трехмерного построения, что и обуславливает его высокую популярность.
Высокий спрос на FDM-принтеры ведет к быстрому снижению цен на устройства и расходные материалы, наряду с развитием технологии в направлении удобства эксплуатации и повышения надежности.

Расходные материалы


Катушка с нитью из ABS-пластика и готовая модель

FDM-принтеры предназначены для печати термопластиками, которые обычно поставляются в виде тонких нитей, намотанных на катушки. Ассортимент «чистых» пластиков весьма широк. Одним из наиболее популярных материалов является полилактид или «PLA-пластик». Этот материал изготавливается из кукурузы или сахарного тростника, что обуславливает его нетоксичность и экологичность, но делает его относительно недолговечным. ABS-пластик, наоборот, очень долговечен и износоустойчив, хотя и восприимчив к прямому солнечному свету и может выделять небольшие объемы вредных испарений при нагревании. Из этого материала производятся многие пластиковые предметы, которыми мы пользуемся на повседневной основе: корпуса бытовых устройств, сантехника, пластиковые карты, игрушки и т.д.

Кроме PLA и ABS возможна печать нейлоном, поликарбонатом, полиэтиленом и многими другими термопластиками, широко распространенными в современной промышленности. Возможно и применение более экзотичных материалов – таких, как поливиниловый спирт, известный как «PVA-пластик». Этот материал растворяется в воде, что делает его весьма полезным при печати моделей сложной геометрической формы. Но об этом чуть ниже.


Модель, изготовленная из Laywoo-D3. Изменение температуры экструзии позволяет добиваться разных оттенков и имитировать годовые кольца

Вовсе необязательно печатать однородными пластиками. Возможно и применение композитных материалов, имитирующих древесину, металлы, камень. Такие материалы используют все те же термопластики, но с примесями непластичных материалов.

Так, Laywoo-D3 состоит отчасти из натуральной древесной пыли, что позволяет печатать «деревянные» изделия, включая мебель.

Материал под названием BronzeFill имеет наполнитель из настоящей бронзы, а изготовленные из него модели поддаются шлифовке и полировке, достигая высокой схожести с изделиями из чистой бронзы.

Стоит лишь помнить, что связующим элементом в композитных материалах служат термопластики – именно они и определяют пороги прочности, термоустойчивости и другие физические и химические свойства готовых моделей.

Экструдер

Экструдер – печатная головка FDM-принтера. Строго говоря, это не совсем верно, ибо головка состоит из нескольких частей, из которых непосредственно «экструдером» является лишь подающий механизм. Тем не менее, по устоявшейся традиции термин «экструдер» повсеместно применяется в качестве синонима целой печатающей сборки.


Общая схема конструкции FDM-экструдера

Экструдер предназначен для плавки и нанесения термопластиковой нити. Первый компонент – механизм подачи нити, состоящий из валиков и шестерней, приводимых в движение электромотором. Механизм осуществляет подачу нити в специальную нагреваемую металлическую трубку с соплом небольшого диаметра, называемую «хот-энд» или просто «сопло». Тот же механизм используется и для извлечения нити, если необходима смена материала.

Хот-энд служит для нагревания и плавления нити, подаваемой протягивающим механизмом. Как правило, сопла производятся из латуни или алюминия, хотя возможно использование более термоустойчивых, но и более дорогих материалов. Для печати наиболее популярными пластиками вполне достаточно и латунного сопла. Собственно «сопло» крепится к концу трубки с помощью резьбового соединения и может быть заменено на новое в случае износа или при необходимости смены диаметра. Диаметр сопла обуславливает толщину расплавленной нити и, как следствие, влияет на разрешение печати. Нагревание хот-энда регулируется термистором. Регулировка температуры очень важна, так при перегреве материала может произойти пиролиз, то есть разложение пластика, что способствует как потере свойств самого материала, так и забиванию сопла.


Экструдер FDM-принтера PrintBox3D One

Для того чтобы нить не расплавилась слишком рано, верхняя часть хот-энда охлаждается с помощью радиаторов и вентиляторов. Этот момент имеет огромное значение, так как термопластики, проходящие порог температуры стеклования, значительно расширяются в объеме и повышают трение материала со стенками хот-энда. Если длина такого участка слишком велика, протягивающему механизму может не хватить сил для проталкивания нити.

Количество экструдеров может варьироваться в зависимости от предназначения 3D-принтера. Простейшие варианты используют одну печатающую головку. Двойной экструдер значительно расширяет возможности устройства, позволяя печатать одну модель двумя разными цветами, а также использовать разные материалы. Последний момент важен при построении сложных моделей с нависающими элементами конструкции: FDM-принтеры не могут печатать «по воздуху», так как наносимым слоям требуется опора. В случае с навесными элементами приходится печатать временные опорные структуры, которые удаляются по завершении печати. Процесс удаления чреват повреждением самой модели и требует аккуратности. Кроме того, если модель имеет сложную структуру с труднодоступными внутренними полостями, построение обычных опор может оказаться непрактичным виду сложности удаления лишнего материала.


Готовая модель с опорами из PVA-пластика (белого цвета) до и после промывки

В таких случаях весьма кстати приходится тот самый водорастворимый поливиниловый спирт (PVA-пластик). С помощью двойного экструдера можно построить модель из водоупорного термопластика, используя PVA для создания опор.

После окончания печати PVA можно просто растворить в воде и получить сложное изделие идеального качества.

Некоторые модели FDM-принтеров могут использовать три или даже четыре экструдера.

Рабочая платформа


Подогреваемая платформа, накрытая съемным стеклянным рабочим столиком

Построение моделей происходит на специальной платформе, зачастую оснащаемой нагревательными элементами. Подогрев требуется для работы с целым рядом пластиков, включая популярный ABS, подверженных высокой степени усадки при охлаждении. Быстрая потеря объема холодными слоями в сравнении со свеженанесенным материалом может привести к деформации модели или расслоению. Подогрев платформы позволяет значительно выравнивать градиент температур между верхними и нижними слоями.

Для некоторых материалов подогрев противопоказан. Характерный пример – PLA-пластик, который требует достаточно длительного времени для затвердевания. Подогрев PLA может привести к деформации нижних слоев под тяжестью верхних. При работе с PLA обычно принимаются меры не для подогрева, а для охлаждения модели. Такие принтеры имеют характерные открытые корпуса и дополнительные вентиляторы, обдувающие свежие слои модели.


Калибровочный винт рабочей платформы, покрытой синим малярным скотчем

Платформа требует калибровки перед печатью, чтобы сопло не задевало нанесенные слои и не отходило слишком далеко, вызывая печать «по воздуху», что приводит к образованию «вермишели» из пластика. Процесс калибровки может быть как ручным, так и автоматическим. В ручном режиме калибровка производится позиционированием сопла в разных точках платформы и регулировкой наклона платформы с помощью опорных винтов для достижения оптимальной дистанции между поверхностью и соплом.

Как правило, платформы оснащаются дополнительным элементом – съемным столиком. Такая конструкция упрощает чистку рабочей поверхности и облегчает снятие готовой модели. Столики производятся из различных материалов, включая алюминий, акрил, стекло и пр. Выбор материала для изготовления столика зависит от наличия подогрева и расходных материалов, под которые оптимизирован принтер.

Для лучшего схватывания первого слоя модели с поверхностью столика зачастую применяются дополнительные средства, включая полиимидную пленку, клей и даже лак для волос! Но наиболее популярным средством служит недорогой, но эффективный малярный скотч. Некоторые производители делают перфорированные столики, хорошо удерживающие модель, но сложные в очистке. В целом, целесообразность нанесения дополнительных средств на столик зависит от расходного материала и материала самого столика.

Механизмы позиционирования


Схема работы позиционирующих механизмов

Само собой, печатающая головка должна перемещаться относительно рабочей платформы, причем в отличие от обычных офисных принтеров, позиционирование должно производиться не в двух, а в трех плоскостях, включая регулировку по высоте.

Схема позиционирования может варьироваться. Самый простой и распространенный вариант подразумевает крепление печатающей головки на перпендикулярных направляющих, приводимых в движение пошаговыми двигателями и обеспечивающими позиционирование по осям X и Y.

Вертикальное же позиционирование осуществляется за счет передвижения рабочей платформы.

С другой стороны, возможно передвижение экструдера в одной плоскости, а платформы – в двух.


Дельта-принтер ORION производства компании SeemeCNC

Один из вариантов, набирающих популярность, является использование дельтаобразной системы координат.

Подобные устройства в промышленности называют «дельта-роботами».

В дельта-принтерах печатная головка подвешивается на трех манипуляторах, каждый из которых передвигается по вертикальной направляющей.

Синхронное симметричное движение манипуляторов позволяет изменять высоту экструдера над платформой, а ассиметричное движение вызывает смещение головки в горизонтальной плоскости.

Вариантом такой системы является обратный дельтовидный дизайн, где экструдер крепится неподвижно к потолку рабочей камеры, а платформа передвигается на трех опорных манипуляторах.

Дельта-принтеры имеют цилиндрическую область построения, а их конструкция облегчает увеличение высоты рабочей зоны с минимальными изменениями дизайна за счет удлинения направляющих.

В итоге все зависит от решения конструкторов, но основополагающий принцип не меняется.

Управление


Типичный контроллер на основе Arduino, оснащенный дополнительными модулями

Управление работой FDM-принтера, включая регулировку температуры сопла и платформы, темпа подачи нити и работы пошаговых моторов, обеспечивающих позиционирование экструдера, выполняется достаточно простыми электронными контроллерами. Большинство контроллеров основываются на платформе Arduino, имеющей открытую архитектуру.

Программный язык, используемый принтерами, называется G-код (G-Code) и состоит из перечня команд, поочередно выполняемых системами 3D-принтера. G-код компилируется программами, называемыми «слайсерами» – стандартным программным обеспечением 3D-принтеров, сочетающим некоторые функции графических редакторов с возможностью установки параметров печати через графический интерфейс. Выбор слайсера зависит от модели принтера. Принтеры RepRap используют слайсеры с открытым исходным кодом – такие, как Skeinforge, Replicator G и Repetier-Host. Некоторые компании создают принтеры, требующие использование фирменного программного обеспечения.


Программный код для печати генерируется с помощью слайсеров

В качестве примера можно упомянуть принтеры линейки Cube от компании 3D Systems. Есть и такие компании, которые предлагают фирменное обеспечение, но позволяют использовать и сторонние программы, как в случае с последними поколениями 3D-принтеров компании MakerBot.

Слайсеры не предназначены для 3D-проектирования, как такового. Эта задача выполняется с помощью CAD-редакторов и требует определенных навыков трехмерного дизайна. Хотя новичкам не стоит отчаиваться: цифровые модели самых различных дизайнов предлагаются на многих сайтах, зачастую даже бесплатно. Наконец, некоторые компании и частные специалисты предлагают услуги 3D-проектирования для печати на заказ.

И наконец, 3D-принтеры можно использовать вкупе с 3D-сканерами, автоматизирующими процесс оцифровки объектов. Многие их таких устройств создаются специально для работы с 3D-принтерами. Наиболее известные примеры включают ручной сканер 3D Systems Sense и портативный настольный сканер MakerBot Digitizer.


FDM-принтер MakerBot Replicator 5-го поколения, со встроенным контрольным модулем в верхней части рамы

Пользовательский интерфейс 3D-принтера может состоять из банального USB порта для подключения к персональному компьютеру. В таких случаях управление устройством фактически осуществляется посредством слайсера.

Недостатком такой упрощенности является достаточно высокая вероятность сбоя печати при зависаниях или притормаживании компьютера.

Более продвинутый вариант включает наличие внутренней памяти или интерфейса для карты памяти, что позволяет сделать процесс автономным.

Такие модели оснащаются контрольными модулями, позволяющими регулировать многие параметры печати (например, скорость печати или температуру экструзии). В состав модуля может входить небольшой LCD-дисплей или даже мини-планшет.

Разновидности FDM-принтеров


Профессиональный FDM-принтер Stratasys Fortus 360mc, позволяющий печатать нейлоном

FDM-принтеры весьма и весьма разнообразны, начиная от простейших самодельных RepRap принтеров и заканчивая промышленными установками, способными печатать крупногабаритные объекты.

Лидером по производству промышленных установок является компания Stratasys, основанная автором технологии FDM-печати Скоттом Крампом.

Простейшие FDM-принтеры можно построить самому. Такие устройства именуют RepRap, где «Rep» указывает на возможность «репликации», то есть самовоспроизведения.

RepRap принтеры могут быть использованы для печати пластиковых деталей, включенных в собственную конструкцию.

Контроллер, направляющие, ремни, моторы и прочие компоненты можно легко приобрести по отдельности.

Разумеется, сборка подобного устройства своими силами требует серьезных технических и даже инженерных навыков.

Некоторые производители облегчают задачу, продавая комплекты для самостоятельной сборки, но подобные конструкторы все равно требуют хорошего понимания технологии.


Вариант популярного RepRap принтера Prusa позднего, третьего поколения

Если же вам по душе мастерить вещи собственными руками, то RepRap принтеры приятно порадуют ценой: средняя стоимость популярного дизайна Prusa Mendel ранних поколений составляет порядка $500 в полной комплектации.

И, несмотря на свою «самодельную сущность», RepRap принтеры вполне способны производить модели с качеством на уровне дорогих фирменных собратьев.

Обыденные же пользователи, не желающие вникать в тонкости процесса, а требующие лишь удобное устройство для бытовой эксплуатации, могут приобрести FDM-принтер в готовом виде.

Многие компании делают упор на развитие именно пользовательского сегмента рынка, предлагая на продажу 3D-принтеры, готовые к печати «прямо из упаковки» и не требующие серьезных навыков в обращении с компьютерами.


Бытовой 3D-принтер Cube производства компании 3D Systems

Самым известным примером бытового 3D-принтера служит 3D Systems Cube.

Хотя это устройство и не блещет огромной зоной построения, сверхвысокой скоростью печати или непревзойденным качеством изготовления моделей, оно удобно в использовании, вполне доступно и безопасно: этот принтер получил необходимую сертификацию для использования даже детьми.

Демонстрация работы FDM-принтера производства компании Mankati: http://youtu.be/51rypJIK4y0

Лазерная стереолитография (SLA)


Стереолитографические 3D-принтеры широко используются в зубном протезировании

Стереолитографические принтеры – вторые по популярности и распространенности после FDM-принтеров.

Эти устройства позволяют добиваться исключительно высокого качества печати.

Разрешение некоторых SLA-принтеров исчисляется считанными микронами – неудивительно, что эти устройства быстро завоевали любовь ювелиров и стоматологов.

Программная сторона лазерной стереолитографии практически идентична FDM-печати, поэтому не будем повторяться и затронем лишь отличительные особенности технологии.

Лазеры и проекторы


Проекторная засветка фотополимерной модели на примере DLP-принтера Kudo3D Titan

Стоимость стереолитографических принтеров стремительно снижается, что объясняется растущей конкуренцией ввиду высокого спроса и применением новых технологий, удешевляющих конструкцию.

Несмотря на то, что технология обобщенно называется «лазерной» стереолитографией, наиболее современные разработки в большинстве своем применяют ультрафиолетовые светодиодные проекторы.

Проекторы дешевле и надежнее лазеров, не требуют использования деликатных зеркал для отклонения лазерного луча, а также имеют более высокую производительность. Последнее объясняется тем, что контур целого слоя засвечивается целиком, а не последовательно, точка за точкой, как в случае с лазерными вариантами. Этот вариант технологии называется проекторной стереолитографией, «DLP-SLA» или просто «DLP». Тем не менее, на данный момент распространены оба варианта – как лазерные, так и проекторные версии.

Кювета и смола


Фотополимерная смола заливается в кювету

В качестве расходных материалов для стереолитографических принтеров используется фотополимерная смола, внешне напоминающая эпоксидную. Смолы могут иметь самые разные характеристики, но все они обладают одной чертой, краеугольной для применения в 3D-печати: эти материалы затвердевают под воздействием ультрафиолетового света. Отсюда, собственно, и название «фотополимерные».

В полимеризованном виде смолы могут иметь самые разные физические характеристики. Некоторые смолы напоминают резину, другие – твердые пластики вроде ABS. Возможен выбор разных цветов и степени прозрачности. Главный же недостаток смол и SLA-печати в целом – стоимость расходных материалов, значительно превышающая стоимость термопластиков.

С другой стороны, стереолитографические принтеры в основном применяются ювелирами и стоматологами, не требующими построения деталей большого размера, но ценящими экономию от быстрого и точного прототипирования изделий. Таким образом, SLA-принтеры и расходные материалы окупаются очень быстро.


Пример модели, напечатанной на лазерном стереолитографическом 3D-принтере

Смола заливается в кювету, которая может оснащаться опускаемой платформой. В этом случае принтер использует выравнивающее устройство для разглаживания тонкого слоя смолы, покрывающего платформу, непосредственно перед облучением. По мере изготовления модели платформа вместе с готовыми слоями «утапливается» в смоле. По завершении печати модель вынимается из кюветы, обрабатывается специальным раствором для удаления остатков жидкой смолы и помещается в ультрафиолетовую печь, где производится окончательная засветка модели.

Некоторые SLA и DLP принтеры работают по «перевернутой» схеме: модель не погружается в расходный материал, а «вытягивается» из него, в то время как лазер или проектор размещаются под кюветой, а не над ней. Такой подход устраняет необходимость выравнивания поверхности после каждой засветки, но требует использования кюветы из прозрачного для ультрафиолетового света материала – например, из кварцевого стекла.

Точность стереолитографических принтеров чрезвычайно высока. Для сравнения, эталоном вертикального разрешения для FDM-принтеров считается 100 микрон, а некоторые варианты SLA-принтеров позволяют наносить слои толщиной всего в 15 микрон. Но и это не предел. Проблема, скорее, не столько в точности лазеров, сколько в скорости процесса: чем выше разрешение, тем ниже скорость печати. Использование цифровых проекторов позволяет значительно ускорить процесс, ибо каждый слой засвечивается целиком. Как результат, производители некоторых DLP-принтеров заявляют о возможности печатать с разрешением в один микрон по вертикали!

Видео с выставки CES 2013, демонстрирующее работу стереолитографического 3D-принтера Formlabs Form1: http://youtu.be/IjaUasw64VE

Разновидности стереолитографических принтеров


Настольный стереолитографический принтер Formlabs Form1

Как и в случае с FDM-принтерами, SLA-принтеры поставляются в широком диапазоне с точки зрения габаритов, возможностей и стоимости. Профессиональные установки могут стоить десятки, если не сотни тысяч долларов и весить пару тонн, но быстрое развитие настольных SLA и DLP-принтеров приводит к постепенному снижению стоимости аппаратуры без потери качества печати.

Такие модели как Titan 1 обещают сделать стереолитографическую 3D-печать доступной для небольших компаний и даже для бытового использования, имея стоимость в районе $1 000. Form 1 от компании Formlabs уже доступен по отпускной цене производителя в $3 299.

Разработчик же DLP принтера Peachy вообще намеревается преодолеть нижний ценовой барьер в $100.

При этом стоимость фотополимерных смол остается достаточно высокой, хотя средняя цена за последнюю пару лет упала со $150 до $50 за литр.

Само собой, растущий спрос на стереолитографические принтеры будет стимулировать рост производства расходных материалов, что будет вести к дополнительному снижению цен.


Перейти на главную страницу Энциклопедии 3D-печати