Еще 20 лет назад 3D-принтер казался инновационным изобретением, которое в будущем изменит жизнь всех людей. И вот спустя 18 лет после изобретения первого 3D-принтера, мы можем смело сказать, что это будущее наступило. Сейчас технологии 3D печати охватывают все больше отраслей промышленности, в том числе машиностроение, приборостроение, медицину, авиацию, образование и дают возможность для развития мелкосерийного производства и облегчения бытовых тягот.
Итак, что же такое 3D принтер, что на нем можно распечатать, и где он применяется, расскажем в нашей статье. Кстати, в ВолгГТУ технологии 3D печати уже давно применяются и совершенствуются.
Что такое 3D-принтер?
3D принтер — станок для печати объектов на основе компьютерных моделей методом добавления материала. Эту технологию называют аддитивной , так как материал наносится (добавляется) послойно, пока деталь не будет целиком сформирована.
Печать на 3D-принтере
3D печать – это процесс создания изделия путем последовательного нанесения множества слоев материала, опираясь на его трехмерную цифровую модель, подготовленную к печати с помощью определенных программ. Печать на 3D-принтере состоит из 4 этапов: создание модели для 3D принтера, экспорт 3D-модели в STL-формат, слайсинг и создание G-кода, загрузка модели на принтер.
1. Создание модели для 3D-принтера
Создание образа будущего объекта проходит в 3D-редакторе или CAD-программе, как пример в «Компас», «SolidWorks», «AutoCAD» и др. На процедуру может потребовать от получаса до нескольких дней и более (все зависит от степени сложности создаваемой модели).
2. Экспорт 3D-модели в STL-формат
Когда модель будет создана, обязательно следует преобразовать ее в файл формата STL. Предварительно перед экспортом указывается степень детализации и другие параметры модели.
3. Слайсинг и создание G-кода
На третьем этапе созданную модель необходимо подготовить непосредственно к самой печати с помощью специальных программ («Cura», «Slic3r», «Repetier», «Kisslacer» и др.). Программы производят обработку модели, нарезая ее на горизонтальные слои, на которые в дальнейшем будет наноситься пластик для 3D-принтера. Такая обработка, очевидно, называется – слайсинг.
Параллельно со слайсингом создается управляющий G-код для самого 3D-принтера, он указывает, с какой скоростью будет двигаться печатающая головка, рассчитывает траекторию её движения и т.д.
4. Загрузка модели на принтер
Финальным этапом является перенос файла с моделью на принтер с помощью SD-карты или Wi-Fiи последующий запуск процесса печати. Сам по себе этот процесс прост. Печатающая головка выдавливает на рабочую зону первый слой расплавленного пластика, затем она переходит на следующий слой, накладывающийся на предыдущий, где также наносится пластик (фотополимерная печать имеет похожий алгоритм работы). Этот процесс повторяется многократно, до получения готового объекта.
Готовые модели для 3D-принтера
Стоит отметить, если нет желания или возможности создать модель самому, можно использовать готовые модели из Интернета, обратившись к соответствующим сайтам, например: «Thingiverse», «Instructables», «Cults» и др.
Что можно распечатать на 3D-принтере
На 3D-принтере можно напечатать практически всё, что угодно, нужно лишь обладать необходимым оборудованием, желанием, расходным материалом и подготовленной к печати моделью.
В настоящее время печать на 3D принтере используют в космической промышленности и авиации. Например, Центр космических полётов им. Годдарда (США) во время испытаний звуковой ракеты отправил в полёт отсек аккумуляторной батареи, напечатанный на 3D принтере, а Центр космических полётов им. Маршалла оснастил двигатели для ракет RS-25 и J-2X напечатанными на 3D-принтере компонентами.
В медицине уже сейчас производят 3D-печать тканей, хрящей, костей и др. В 2013 году в университете Уэйк Форест в США был напечатан мочевой пузырь, для этого его разработчики взяли клетки исходного органа, культивировали их и наполнили питательными веществами. Печать на 3D-принтере в образовании широко используется на уроках географии (уменьшенные модели гор, рек и других географических объектов), истории (модели древних предметов, музейные экспонаты).
Чем же печатают принтеры?
Для печати используются порошки или филамент для 3D-принтера. Филаментом называют материал на основе полимеров (а также их сочетаний), вытянутый в виде нити и размещенный на бобину (для удобства использования).
Пластик, или филамент для 3D-печати, производят в виде тонкой нити, диаметром 1,75 мм и 3 мм. Существует несколько разновидностей пластика для 3D печати, но самыми распространенными являются ABS и PLA пластик.
PLA легко печатать, он без запаха, без усадок, прочный и твердый, не пружинит, держит нагрузку на сжатие, растяжение и излом, экологически безопасный. ABS – термоустойчив, химически стойкий, прочный и ударопрочный, биологически вредный.
Технологии 3D-печати
Существует несколько технологий 3D-печати, среди которых:
- FDM (fused deposition modeling) – технология, при которой материал слой за слоем выдавливается через сопло, при этом он быстро застывает и слипается с предыдущими слоями, формируя объект. В качестве расходного материала чаще всего используются различные пластики, хотя есть и модели, позволяющие работать с другими материалами — оловом, сплавами металлов с невысокой температурой плавления и даже шоколадом.
- Стереолитография (StereoLithographyApparatus, SLA или SL) – технология создания моделей, прототипов и изделий из жидких фотополимерных смол. Полимеризация смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером. Построение модели происходит слой за слоем, каждый такой слой вычерчивается лазером, опираясь на трехмерную цифровую модель будущего объекта, прошедшую через слайсинг. После завершения постройки, с готового изделия удаляется остаточный материал и/или при необходимости производится дополнительное УФ освещение до полного затвердевания смолы.
- Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering) – эта технология имеет много общего с SLA, только вместо жидких смол используется порошок с крайне мелкими частицами материала (металл, пластик, стекло, воск). В этой технологии тонкими слоями горизонтально рабочей поверхности наносится порошок, который затем спекается лазерным лучом в определенных участках.
- Технология подачи проволочного материала (EBF) основана на плавления подаваемой проволоки при помощи электронного излучения. Ограничений по одновременному применению разных материалов и получению цветной печати нет.
- Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) – технология подразумевает последовательное склеивание листового материала (бумаги, пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Объекты, производимые этим методом, обычно подлежат дополнительной механической обработке после печати. Толщина наносимого слоя напрямую зависит от толщины используемого листового материала.
- Прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition) – технология изготовления деталей путем наплавки металлического сырья лазерным излучением. В качестве металлического сырья может выступать как порошок, так и проволока. Эта технология дает возможность создавать высокоточные детали, но почти во всех случаях требуется постобработка – термообработка, снятие напряжений, отрезка от подложки.
- Технология трёхмерной струйной 3D-печати похожа на работу обычного струйного принтера, но вместо чернил через сопла поступают капли пластика, которые очень быстро застывают и формируют один из слоёв объекта. Остаётся только очистить готовую модель от порошка и придать твердость фигуре.
Технология 5D-печати. В таком принтере, помимо движущегося в двух плоскостях экструдера и опускающегося стола, вращается и наклоняется сам стол, либо же установлен модуль, который может наклонять и вращать заготовку вокруг своей оси (при этом стол статичен). 5D-принтер позволяет наносить, помимо плоских слоев, изогнутые в объеме, пересекающиеся слои, это позволяет создавать прочные во всех направлениях соединениях. Напечатанные цилиндрические объекты получаются гладкими, с отлично прилегающими изогнутыми поверхностями. Подробнее про принцип работы 5D принтера мы рассказывали тут.
3D-печать с каждым днем становится все наиболее популярной, дешевой и доступной. Возможно, уже в ближайшее время 3D-печать войдет в нашу бытовую жизнь, ведь уже сейчас есть возможность создавать любые 3D-модели и печатать их практически из любого подходящего для принтера материала.
