Как выглядит три д принтер
Как выбрать 3D-принтер: руководство для начинающих
Автор этого поста увидел первую 3D-модель, распечатанную на принтере, около 10 лет назад. Шло собрание в огромном российском рекламном агентстве, которое использовало возможности 3D-печати для того, чтобы печатать демонстрации очень дорогой сувенирки — её предстояло сделать из меди, бронзы, серебра и совсем мелкие штучки из золота. Мы с коммерческим директором тогдашней компании крутили в руках будущие статуэтки и значки из буро-серо-синего пластика, с неаккуратными заусенцами, «провалами» и т.д. Нам это казалось восьмым чудом света — и, когда нам отдали макеты насовсем, мы радовались как дети и уже в машине шутили, что круто было бы печатать на принтере блинчики, пирожные и колбасу. Никогда мы ещё не были так близки к предсказанию будущего.
Когда хозяин купил 3D-принтер, а ты понял, как выглядит безысходность
Сегодня 3D-принтеры стали настолько доступными, что практически каждый может купить свой just for fun (и покупает — мы в Gearbest как никто об этом знаем), например, чтобы напечатать с ребёнком новогодние снежинки или игрушки, сделать макет для работы, самолётик для хобби или элементы для какого-нибудь невероятного DIY. Более того, нередко 3D-принтер занимает своё почётное место рядом с давно упокоившимся домашним принтером и хозяин иногда совестливо подумывает наконец что-то напечатать. Ну хотя бы Эйфелеву башню и Триумфальную арку для сестрёнки, увлечённой французским языком.
Такая популярность неудивительна — 3D-принтеры появляются едва ли не каждую неделю: доступные, с отличными расходниками, многофункциональные. И эта тенденция приведёт к одному: принтеры поселятся дома у всех как рабочий инструмент, помощник, игрушка, обучающий комплекс.
Очень ждём 3D-принтеры нового поколения
Теория, которая нужна, чтобы понять, какой он, ваш 3D-принтер
Хоть статья и для новичков, избежать терминов не получится — большой путь начинается с первого шага. Поэтому прежде всего нужно поинтересоваться, какая у 3D-принтера технология печати. Большинство принтеров любительского уровня используют технологию, которая называется «Fused Deposition Modeling» (FDM), она же «Fused Filament Fabrication» (FFF), она же «Plastic Jet Printing» (PJP). Технология печати проста и понятна: слои пластика (редко — другого материала) накладываются друг на друга и формируют ту фигуру, которую вы смоделировали. То есть изделие как бы складывается из множества горизонтальных сечений, сформированных из пластика, который экструдируется из горячего сопла (пластиковая нить плавится) и сразу после экструзии застывает.
Бывают ещё SLA-принтеры, в которых печать происходит за счёт того, что смола взаимодействует с лазером и затвердевает по мере создания фигуры. Такие принтеры печатают ультра точные и детализированные изделия.
Основной материал для любительско-DIY-домашней печати — цветной пластик, который чаще всего продаётся в виде нитей на катушках (редко — в коротких отрезках). Но, как мы помним из школьного курса химии, пластик тоже бывает разный и каждый вид материала имеет свои свойства прочности, хрупкости, прозрачности, пластичности и т.д. Чаще всего материал называют ABS-нить или PLA-нить. И это не просто аббревиатуры.
АБС-пластик довольно ударопрочен и долговечен, не ломается на сгибах. Он называется по первым буквам компонентов: акрилонитрил (до 35%), бутадиен (до 30%), стирол (до 60%). Это нетоксичный и безопасный материал, с которым можно работать в присутствии детей. Однако на открытом солнце и морозе пластик может потерять внешний вид.
PLA (полилактид) — крайне термопластичный полиэфир, который является более хрупким и менее «живучим», чем ABS. Абсолютно экологичен и биоразлагаем. ПЛА-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника. Этот тип пластика отлично держит форму и имеет хорошее трение, поэтому, если вы собираете что-то из подвижных деталек, посмотрите на ПЛА.
Если разделить совсем грубо, то АБС больше для профессионалов, а ПЛА — для начинающих любителей.
Выбирая материалы, обратите внимание на размер катушки и диаметр нити — они должны соответствовать техническим требованиям вашего принтера.
Толщина слоя 50, 100 и 200 микрон — разница, конечно, есть
Autodesk Inventors Fusion
Кстати, в мире 3D существую МФУ, как и в мире печатных принтеров. Как правило, 3D-МФУ включают камеры для удалённого мониторинга печати, обычные принтеры, сканеры и многое другое.
С чем нужно обязательно определиться перед тем, как заказать свой 3D-принтер?
Можно купить лишний мобильник «на посмотреть, чё за оболочка», пару внешних дисков, наушники из любопытства и даже второй видеорегистратор, но купить 3D-принтер с бухты-барахты — история сомнительная: он большой, займёт много места, стоит нормальных денег и вообще требует ответственного подхода и осознания, что к нему будут нужны километры расходников (к счастью, в основном, недорогих). Тут почти как с котом — берёшь раз и навсегда. Но не потому что трудно перепродать в случае чего, а потому что душой прикипаешь.
Ваш дом наполнится милотой и забавными фигурками
Итак, с чем нужно определиться.
Если у вас есть особые советы, которые могут дополнить статью, пожалуйста, пишите в комментариях — как показывает опыт Хабра, комментарии зачастую дают +500 к полезности публикации. Давайте разбираться в дебрях 3D-печати вместе!
Ещё несколько моделей, которые нам очень нравятся:
Как выбрать 3D-принтер
и зачем он нужен?
Содержание
Что это такое?
Форм-фактор
Технология печати
Используемые материалы
Область печати
Высота слоя
Скорость печати
Количество сопел
Комплектация
Способ загрузки модели
Дополнительные фишки
Какой 3D-принтер купить?
Что это такое?
3D-принтер создаёт предметы из разных видов пластмасс. В него загружают катушку толстой лески, которая служит источником сырья. Устройству задают программу — трёхмерную модель готового изделия. Оно нагревает пластик, подавая его через сопло — насадку с узким отверстием. Расплавленный материал укладывается слоями. После этого на платформе остаётся готовая деталь заданной формы. Новички выбирают 3D-принтеры для создания коллекционных моделей, фигурок к настольным играм и декора. Профессионалы изготавливают детали для бытовой техники, автомобилей и мебели — от ручки холодильника и декоративной накладки на тумбочку до приборной панели машины и бампера. А в крупных мастерских трёхмерные принтеры используются для серийного производства продукции. Они работают на заводах HP, выпускающих электронику, и в мастерских металлургической корпорации Norsk Titanium. А принтеры Prusa и RepRap вовсе занимаются саморепликацией — производят детали для своих «клонов», которые отгружаются потребителям.
Форм-фактор
Настольный 3D-принтер подойдёт для дома или обучения в школе. По размерам он не больше кухонной мини-печи или прикроватной тумбочки. В таком устройстве можно изготовить коллекционную фигурку высотой до 25–35 сантиметров или декоративную пластину размером до 30×30 см.
Для бизнеса лучше выбрать 3D-принтер для установки на пол. Он напоминает шкаф по габаритам и весит до 100–200 кг. Такая модель подойдёт для производства накладки для мебели размером до 1×1 м, статуэток высотой до 80–150 см и похожих деталей.
В промышленности используются трёхмерные принтеры, сравнимые по размерам с комнатой или квартирой-студией. Такие агрегаты устанавливаются в помещении до 5×5 метров. В них изготавливают бамперы для автомобилей, трубопроводы сложной формы и отделочные материалы для строительства.
Технология печати
Для дома выбирают 3D-принтеры с технологией послойного наплавления. Их обозначают аббревиатурами FDM, FFF и PJP — это разные названия одного и того же процесса. Они накладывают слои горячего пластика друг на друга. Такие модели дешевле — от 10–15 тысяч рублей. Они проще в обслуживании и менее требовательны к качеству материала. Но при печати сложных деталей могут быть отклонения в размерах на 1–2 мм и заусенцы. Конечно, их можно убрать ножом и напильником, но это потребует больше сил и времени.
В серийном производстве мелких предметов используют технологию стереолитографии (SLA). В таких устройствах нет нагревателей — в качестве сырья подойдут особые виды пластика, которые затвердевают на свету. Принтер выдавливает жидкий материал через узкое сопло, одновременно направляя на заготовку мощный лазер. Эти модели более точные — погрешность не превышает 0,05–0,1 мм. Они лучше справляются со сложными изгибами и не оставляют заусенцев. Но стоимость SLA-принтеров выше — от 30–40 тысяч рублей. Также они чувствительны к качеству сырья и требуют точной настройки.
Выбор не рекомендованного материала или неподходящих настроек — серьёзная ошибка. В лучшем случае вы испортите готовый продукт. Исправить его получится только механическим путём — обрезкой или полировкой. Приклеить ещё один кусок пластика в 3D-принтере не получится. В худшем случае можно сломать дорогостоящий агрегат.
Используемые материалы
Очень важно, чтобы производитель допускал работу с определённым видом материала. Если его нет в списке, лучше не рисковать — пластик с иными характеристиками может повредить сопло и другие чувствительные детали устройства. Перед покупкой внимательно ознакомьтесь с инструкцией и техническими характеристиками.
Для хобби
Самый популярный вид пластика для трёхмерной печати — ABS (АБС). В жидком состоянии оно частично испаряется. Поэтому и подходит только для взрослых, которые работают в респираторе и защитных очках в помещении с хорошей вентиляцией. Застывший ABS-пластик твёрдый и прочный, выдерживает большие физические нагрузки и перепады температуры. Но он становится хрупким на морозе и выцветает под прямыми лучами солнца.
Для дома лучше выбрать 3Д-принтер, работающий с полилактидом (PLA). Этот органический пластик производят из кукурузных стеблей, сахарного тростника и другого растительного сырья. Он не содержит вредных веществ и безопасен для детей. При работе с ним расстроит только резкий запах, но можно обойтись без респираторов и очков. PLA-пластик приятен на ощупь и хорошо переносит трение — отлично работает в подвижных соединениях вроде шарниров в руках и ногах кукол. Но он хрупкий и недолговечный — подходит скорее для декора и игрушек.
Для серийного производства
В мастерских используют другие виды пластика. Поликарбонат прочный и жёсткий, устойчивый к ультрафиолетовому излучению и сильным перепадам влажности. Полиуретан мягкий и приятный на ощупь, долго сохраняет презентабельный внешний вид. Нейлон безопасен для организма человека — из него изготавливают даже корсеты, бандажи и другие медицинские приспособления.
Акрил легко принимает сложные волнообразные формы — подходит для производства декора. Чтобы работать с этими полимерами, нужно тщательно подбирать температуру нагрева, поддерживать стабильную температуру и влажность в помещении, а также соблюдать технику безопасности.
Для крупных масштабов
Промышленные трёхмерные принтеры работают с привычными материалами — керамикой, металлами и древесной стружкой. Они производят мебель, сантехнику, автомобильные запчасти и строительные конструкции намного быстрее человека.
Область печати
При выборе трёхмерного принтера всегда уточняйте полезные (а не номинальные) размеры камеры: высоту, ширину и глубину. Фактически это и есть максимальные габариты изготавливаемой вами детали. У домашних принтеров полезные размеры камеры не превышают 50×35×35 см — в неё помещается большой электрочайник. У профессиональных моделей габариты достигают 150×75×75 см — можно создавать статуэтки ростом с человека. У промышленных агрегатов размеры камеры измеряются метрами — обычно масштабы детали ограничены только прочностью используемого материала.
Высота слоя
Чем меньше эта цифра, тем больше сходство готового изделия с моделью. При печати с высотой слоя 200 микрон деталь получается ребристой. На ней много заусенцев, которые приходится удалять напильником, ножом или наждачной бумагой. 100 микрон достаточно для деталей бытовой техники, детских игрушек и других предметов, где не важна точность. Поверхность шершавая на ощупь, но внешне дефекты почти не видны. Разрешение 50 микрон и менее нужно для подвижных соединений, сложного декора и глянцевых изделий. Материал получается гладким и требует лишь минимальной полировки.
Скорость печати
Количество полимерной нити, которую сопло может расплавить за секунду. В любой модели оно зависит от выбранного разрешения, используемого материала, характера детали и других параметров. Поэтому при выборе 3Д-принтера важно смотреть на максимальную скорость. Чтобы сделать сравнение наглядным, мы укажем время печати одной коллекционной фигурки высотой 15 см:
Количество сопел
Число сопел равно количеству одновременно используемых цветов одного материала. Загружать разные виды пластика нежелательно — нет гарантии, что они нормально склеятся друг с другом.
Модели с одним соплом дешевле — от 10 000 рублей. Они используют только один вид пластика за раз и печатают одним цветом. Если вы хотите добавить красок в готовое изделие, придётся остановить печать и загрузить другой материал. Такие принтеры подходят для учёбы и хобби.
3D-принтер: что это и как он работает?
В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.
В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.
Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
Как создают изделия
За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.
Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.
Как запрограммировать 3D-принтер
Краткая инструкция по настройке принтера:
Можно ли применять напечатанные изделия
Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.
Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today
Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:
Что можно напечатать на 3D-принтере
Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.
Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.
Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.
Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse
Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:
— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;
— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;
Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse
— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.
Технологии 3D-печати
Кратко об основных методах 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.
Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.
Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.
Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.
Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.
На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today
Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.
Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.
Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.
Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.
Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.
Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.
Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru
Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.
В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.
Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
Как создают изделия
За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.
Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.
Как запрограммировать 3D-принтер
Краткая инструкция по настройке принтера:
Можно ли применять напечатанные изделия
Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.
Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today
Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:
Что можно напечатать на 3D-принтере
Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.
Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.
Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.
Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse
Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:
— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;
— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;
Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse
— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.
Технологии 3D-печати
Кратко об основных методах 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.
Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.
Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.
Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.
Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.
На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today
Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.
Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.
Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.
Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.
Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.
Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.
Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru
Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.