История и принцип работы 3Д-принтера

Как появился трехмерный принтер?

Кажется, что эта технлогия необычная и абсолютно новая, однако ее история довольно долгая и началась несколько десятилетий назад. Ученые из многих стран приложили руку к тому результату, которым пользуется промышленность и обычные люди сегодня. Еще в 1986 году Чарльз Халл, американец по происхождению, создал устройство, способное создавать объемные предметы по образцу. Технология называлась стереолитография. Это был достаточно габаритный агрегат промышленного масштаба, который могл создавать поднимаясь на высоту каждого слоя 0,1-0,2 мм. Позже изобретатель стал сооснователем компании 3d Systems, которая и на сегодняшний день является лидером производства промышленных агрегатов.

Два года спустя, с момента создания Халлом его первого прототипа, другой житель США Скотт Крамп иначе посмотрел на перспективу создания объемных изделий. Он решил печатать через принцип плавления материала. В этом случае через раскаленное сопло печатающей головки подается материал, который наслаивается друг на друга образуя трехмерную модель. Таким образом сегодня работает большинство современных устройств. Позже Крамп стал сооснователем фирмы Stratasys, которая также входит в число лидирующих на сегодняшний день.

Были и другие варианты создания предметов, но все они производились для промышленных целей и практически все имели довольно большие размеры. Такая ситуация сохранялась до 2006 года, когда был собран прототип, работающий на основе технологии послойного наплавления. Ее целью было создание прототипов. Выглядел он, будто был случайно собран на коленке из того, что валялось под рукой и имел небольшие размеры. Таким образом, каждый желающий мог приобрести себе печатающее оборудование за доступную цену. Факт создания такого компактного и недорогого вариант и дал толчок к широкому развитию технологии объемной печати.

Устройство 3Д-принтера

В нашем рейтинге 10 технологий, которые изменят мир в будущем 3D-принтер занимает почетное 4 место, однако большинство видов оборудования схоже с обычными офисными машинами для документов. Основное отличие – печать в трех плоскостях вместо двух, таким образом к ширине и высоте добавляется еще и объем. Если не брать в расчет сам корпус, который производитель может сделать каким угодно, в комплектацию большинства доступных на широком рынке агрегатов входит:

• печатающая головка. Отвечает за подачу разогретого материала. Она снабжается системой захвата, которая позволяет в нужном количестве отмерять сырье;
• рабочая платформа. На этой части формируется готовый объект;
• линейный и шаговый двигатели. Эти элементы механизма задействуют остальные элементы, а также отвечают за скорость и точность выполнения операций;
• фиксирующие контроллеры. Необходимы для более аккуратной работы. При помощи этих элементов аппарат может оставаться на своем положенном месте, они определяют координаты;
• обрешетка, соединяющая воедино все компоненты печатающего устройства.

Управление происходит за счет программного обеспечения, установленного на ПК.

Как создают изделия?

Практически все объекты на трехмерных печатающих аппаратах создаются по технологии послойного синтеза объектов. При таком механизме работы рабочая фракция наслаивается друг на друга снизу вверх, пока получившаяся заготовка не будет в точности повторять исходную модель. Есть еще и фотополимерная печать или стереолитография, где материал застывает под воздействием лазерного луча.

Вопреки расхожему мнению не только пластик может быть основой для создания трехмерных элементов. Многие аппараты также могут использовать фотополимерные смолы, металлический порошок и металлоглину. Процесс являет собой череду непрерывных циклов, в ходе который печатающая головка движется без остановки, пока полностью все изделие не будет готово.

Как работает 3D-чертеж?

Для того, чтобы напечатать изделие на 3D-принтере необходимо создать чертеж. Для этого существуют специальные программы, а также можно скачать необходимый образец на тематических ресурсах. Формат чертежа называется STL (Stereo Lithography). Изображение в таком формате транспортируется в программу прибора, где пользователь может задать более точные параметры готового продукта, например плотность. После чего ПО трансформирует изображение в руководство для экструдера и передает его на устройство. В целом разработать чертеж самостоятельно не так уж сложно, и для этого существует множество инструкций в интернете.

Как запрограммировать 3D-принтер?

Получить качественное изделие, напечатанное на 3Д принтере нпользователь не сможет, если перед этим не настроить оборудование как следует. Читай краткую инструкцию, чтобы не ошибиться:

1. Определись с исходником. Создай собственный вариант будущего экземпляра в специализированной программе для чертежей или поищи в интернете подходящий вариант.
2. Подготовь шаблон. Чтобы прибор смог напечатать то, что нужно, он должен «понимать» как это сделать. Программы-слайсеры разбивают модель на составляющие, задают координаты и скорость движения печатающей головки,ее скорость и толщину слоев.
3. Перенаправь шаблон на принтер. После обработки в программе-слайсере модель передается на устройство, которое и запускает процесс создания объекта.

Тебе останется только наблюдать за процессом. Но хотим тебя предупредить: это займет время, поэтому лучше завари себе чай и прими удобную позу.

Можно ли применять напечатанные изделия?

Вполне логично, что каждый будет задаваться вопросами о том как и где можно применить вещи произведенные таким необычным образом. Может они подойдут только в качестве развлечения и вовсе не стоят того, чтобы тратить деньги. Но область применения напечатанныхтаким образом изделий поистине безгранична. Прочитав статью «20 технологий, которые появятся в ближайшие 30 лет» ты сможешь убедиться в этом, ведь аппараты подобного спектра действия уже используются во многих сферах и даже в медицине.

Безусловно, на использование напечатанных предметов будет влиять и качество материала и тип оборудования. Домашние аппараты достаточно просты и часто работают с погрешностями, создавая предметы с дефектами и фактурной поверхностью. Почти всегда, чтобы получить хороший результат, после создания изделие необходимо подвергать дополнительной обработке. Для этого используется ручное удаление всех изъянов и ручная шлифовка, а также погружение предмета в ацетон, обработка мелким песком под высоким давлением и нанесение специального состава кистью.

Что можно напечатать на 3D-принтере?

Создать на трехмерном принтере можно действительно практически все и разработки постоянно совершенствуются. Уже сегодня в интернете можно найти огромное множество самых разнообразных чертежей шаблонов для распечатки, а также фотографии готовых предметов, созданных обычными людьми. Самый масштабные и оригинальные вещи, изготовленные на по такому типу – авто, панели для солнечной энергии, медицинские протезы конечностей, боевое оружие.

Чаще всего такая печать применяется в области прототипирования. Создавать прототипы конечностей и других частей тела человека и животных для протезирования, спортивного снаряжения, различного оборудования таким образом очень удобно это экономит время. Аппараты хорошо зарекомендовали себя при работе со сложной, многогранной геометрией в технической, медицинской сфере и даже в общепите. Так, ведущий повар одного из датский ресторанов распечатал съедобные маленькие блюда со сложной геометрией. Материалом для создания послужили морепродукты и свекольное пюре.

Технологии 3D-печати

Как уже обсуждалось ранее технологий для печати объемных предметов существует несколько. В зависимости от принципа работы пинтера подбирается материал для изготовления объекта, и наоборот. Рассмотрим самые распространенные и доступные виды создания элементов в трехмерной плоскости.

FDM

Самая распространенная и доступная технология для широкой аудитории. Именно по технологии послойного наплавления и работает большинство домашних 3д принтеров. В процессе создания материал нагревается в печатающей головке и выводится на рабочую платформу слоями, соответственно загруженному шаблону. С течением времени материал постепенно охлаждается и затвердевает, образуя готовый предмет.

Преимущество такой разработки в том, что вещи получаются устойчивыми к повреждениям и сохраняют пластичность. Они спокойно реагируют на температурные колебания и совместимы с различными видами пластика.

Стереолитография

Практически полной противоположностью предыдущей технологии является стереолитография. Разработка достаточно дорогостоящая и используется в основном для промышленных целей, поскольку агрегаты имеют существенные габариты. В отличие от технологии FDM лазерная стереолитографическая печать позволяет создавать детализированные предметы. Толщина каждого слоя меньше волоса человека, что позволяет применять метод для хирургического и ортодонтического протезирования и при создании ювелирных украшений. Технология быстрого прототипирования зарекомендовала себя в самолето-, машино- и судостроении, медицинской и оборонной сфере.

SLS

Технология СЛС является самой востребованной среди аналогов (ПЛС и ВЛП). Такая методика применяется для формирования лишь частей механизмов. После прохождения процесса спекания деталь дополнительно обжигается при высокой температуре, для выгорания материала. Для создания предметов подобные устройства используют порошкообразные материалы: металл, керамика, пластик, стекловолокно, полимеры.

Polyjet

Сравнительно молодой способ – Polyjet стал популярным за счет возможности применять различные вещества. Помимо разнообразия материалов, допускается применение в одном изделии сразу нескольких их видов и цветовых решений. Особенность работы таких приспособлений заключается в распылении мелких частиц фотополимерной смолы на поверхность и полимеризуют их ультрафиолетовым излучением. При этом частицы могут распыляться из нескольких сопел одновременно.

Где применяют 3D-печать?

Объемная печать применяется во многих сферах:

• медицина. Помимо прототипирования 3D-принтеры используются в фактическом изготовлении протезов конечностей и других частей тела человека. Кроме того технологии позволяют распечатывать органы;
• строительство. Специальные установки способны печатать стены из цементной смеси, создавая готовые строения. Меньше чем за сутки установка может построить двухэтажный дом;
• космическая промышленность и авиация. Повсеместно печатается оборудование для ракет, космических станций, авиакомпоненты;
• промышленный дизайн и архитектура. Крайне удобно создавать трехмерные макеты домов, поселков, микрорайонов используя гипсовый композит;
• образование. Принцип работы 3д принтера таков, что его крайне удобно использовать для создание учебных пособий школьников, студентов и так далее.

Область развивается стремительно и уже сейчас поражает воображение своими возможностями. 3D-принтеры – это будущее многих областей промышленности, способное перевернуть представление о многих процессах.