3D принтер: что это такое и как работает

Объемная печать активно вошла в жизнь обывателей в 2005 году. Именно тогда появились первые устройства, которые обладали полным функционалом для создания трехмерного образа. Но и на настоящий день не многие пользователи знают, в чем особенность этого прибора. В этой статье мы расскажем, что печатает 3Д (3D) принтер, как с ним работать и что можно распечатать на нем.

История возникновения технологии

Идея создавать объекты в пространстве появилась еще в далеком 1953, когда появились первые обыкновенные плоскостные АЦПУ. Тогда они были еще черно-белыми, но уже тогда разработчики задумывались о моделировании в объеме.

Над созданием проекта и его воплощением в жизнь работали ученые из разных стран на протяжении полувека. Первый прорыв принадлежит Чаку Халлу, который сделал машину, основанную на лазерной стереолитографии. Суть проекта в использовании лазера и жидких фотополимеров. Перемещающаяся платформа основания помогает по заданным вычислениям направлять луч и выстраивать осевые вертикальные полосы. После этого накладываются горизонтальные пластины, образуя фактуру.

Полимер затвердевает под воздействием высоких температур в слои не шире 0,2 мм. Для ровного застывания вещества на постоянной основе работают механические щеточки, обеспечивая высыхание поверхности. Уже объемный объект погружают в специальный раствор для сглаживания шероховатостей и устранения излишков. На финальной стадии образец повторно облучают. Минусом технологии был несбалансированный состав смолы – фотополимер застывал недостаточно крепко или, наоборот, моментально. Преимущество SLA-принтеров – их скорость работы, но само оборудование и расходный материал имеет высокую цену.

Скотт Крамп в конце 80-х создал абсолютно новый метод, который заключался в послойном наплавлении – FDM. Именно он лежит в основе современных приборов. Вещество, задействованное в работе, – термопластинки. Они выглядят как моток твердых нитей. Именно они наносятся слоями, повторяя контур цифровой модели.

Первый вошедший в продажу принтер появился в 1995 году. Его анонсировала компания «3D Systems». Но изделие «Actua 2100» работало медленно, в чем был его основной недостаток. И только спустя 10 лет была разработана модель «Reprap», в которой были устранены распространенные ошибки предыдущей партии. С этого момента в мире науки и производства начался этап трехмерного моделирования.

3D принтер: что это такое и как работает чертеж 3Д

Объемная печать, в зависимости от сфер применения, может использовать различные принципы работы и состав полимеров, но основной технологией остается послойное наращивание пластов на объект.

Этапы проектирования:

• Создание макета на компьютере в программе автоматического проектирования, поддерживающей объемное моделирование. Софты позволяют делать расчеты на всех уровнях детали, проводить построение слоями, а также осуществлять итоговое тестирование продукта и смотреть на него со всех сторон в режиме визуализации. Такими возможностями обладают платформы от компании «ЗВСОФТ». Программное обеспечение ZW3D – это универсальная CAD/CAM система с полным функционалом для работы с 3D моделями. Есть три пакета с разным количеством инструментов: Lite, Standard и Professional. Все они идеально совместимы с принтером за счет экспорта чертежей в формате STL. Подробнее об этом можно прочитать ЗДЕСЬ.

   

   

  

Разновидности технологий 3Д принтеров

На данный момент соревнуются три вида аппаратов:

• FDM (fused deposition modeling);
• LOM (laminated object manufacturing);
• SLA и STL (Stereolithography).

Также есть такие варианты, как:

• Polyjet;
• LENS;
• LS (laser sintering);
• 3DP (three dimensional printing).

Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Стереолитографические установки – что это такое для 3D печати

SLA или просто SL – это усовершенствованная система-прародитель. Ее истоки были положены Чаком Халлом, но на настоящий момент многие компании производят технику, основанную на принципе стереолитографии. В основу положены все те же материалы – жидкий фотополимер, запекающийся в пластик, и лазер. Луч как бы фиксирует определенные точки в емкости с жидкостью, постепенно поднимаясь снизу вверх слой за слоем. Оставшийся раствор стекает, оставляя необходимость шлифовки объекта.

Это очень эффективный, с точки зрения точности, метод. Он позволяет быстро достигнуть результата с погрешностью всего в 10 микрон. Но оборудование редко устанавливают дома, так как работа с едким веществом без соблюдения должных норм и предосторожностей чревато ожогами и токсическим отравлением организма.

Лазерное спекание – LS (laser sintering)

Метод аналогичен предыдущему, но усовершенствован за счет использования не жидкого полимера, а его сыпучего варианта. Преимущества новшества:

• В растворе нередки случаи поломки объекта еще в процессе построения, так как еще неокрепшую, но уже тяжелую конструкцию ничего не поддерживает. В порошке все иначе – деталь не может сломаться, так как она опирается на твердое вещество.
• Помимо полимера можно использовать измельченные частицы бронзы, стали, нейлона, титана.

Недостатки:

• Температура плавления очень высока, поэтому предмет долго будет остывать.
• Поверхность получается менее монолитная, в ней больше воздуха.
• Некоторые смеси опасно хранить вне камеры с азотом.

Что такое 3Д печать методом послойного наплавления термопласта

Технология LOM предусматривает наложение вырезанных по лекалу пластов из бумаги, пластмассы или алюминия и их последующее склеивание. Точные очертания рассчитываются в специализированных САПРах, которые работают с 3D моделями. Функция структурирования простых и сложных объектов в софте form•Z jr от компании «ЗВСОФТ» позволяет создавать органичные формы за счет нанесения эскиза на простую сетку и последующего детального сглаживания линий, проработки деталей вручную или автоматически.

С использованием специализированных платформ моделирование по системе LOM становится легким и удобным.

С термопластом работает также технология FDM. Ее структура заключается в подаче материала (нить из пластика) через экструдер – печатающую головку механизма. Направленный слой запекается за счет специального сопла. Так послойно происходит создание объекта снизу вверх.

Из чего создаются изделия

Вещество-основа может различаться. Самый популярный и начальный элемент – это фотополимер. Он легок в обращении, имеет низкую температуру плавления и удобен на стадии последующей обработки – шлифовки. На его замену пришел термопластик (видов ABS и PLA) – усовершенствованный материал с рядом преимуществ, в частности, он более безопасный и экологически чистый.

Также могут использоваться:

• нейлон – высокая прочность и износостойкость;
• поликарбонат – широкий спектр комфортных для изделия температур от -100 до +115 градусов;
• полиэтилен;
• поливиниловый спирт – быстро схватывается, но растворяется при соприкосновении с водой;
• целлюлоза;
• полипропилен – нетоксичный и недорогой;
• флекс – очень гибкий и эластичный;
• HIPS – удобен при необходимости многоуровневых конструкций со сложными спайками и поддержками;
• glassfil – прозрачный и невосприимчивый к ультрафиолету, механическим воздействиям и бактерицидной атаке, поэтому часто применяется в медицине;
• керамический состав – содержит только частицы керамики, но при печати создает эффект камня;

• PVA – быстрорастворяемый полимер, который подходит для временного склеивания элементов конструкции;
• PVD – тонкий пластик, который подходит для упаковочной вентилируемой продукции;
• PETG – полупрозрачный материал, образующий красивую глянцевую поверхность, подходит для элементов декора;
• полиоксиметилен – прочный как металл, но удобный в обращении и легкий;
• WOOD – достоверная имитация дерева с сохранением свойств материала-оригинала, то есть с сильными влаговпитывающими характеристиками;
• ABS Antistatic – обычный полимер с эффектом антистатика для изоляции от электричества;
• GLOW – люминесцентное вещество, способное впитывать и отдавать свет;
• металл – состав содержит в себе элементы бронзы, алюминия и других веществ, на выходе предмет, напоминающий настоящее металлическое изделие.

Области применения 3D печати

Сфер, где реализуется новая технология очень много, самые популярные из них:

• Медицина. Давно началось производство протезов по индивидуальным параметрам. Такие искусственные части тела по виду и ощущениям практически идентичны натуральным.
• Лекарственные препараты. За материал берется биологически активная добавка. Таким образом восполняется в точном количестве необходимый элемент.
• Машиностроение и техника. Запасные части и сложные в производстве узлы стало легче сделать с помощью печати, чем задействовать несколько цехов.
• Элементы одежды и обуви. Ранее было налажено производство застежек и декоративных частей, но с появлением тончайшего полимера начали выпускать целые модели.
• Предметы искусства.
• Биопечать – новое веяние в медицине. Работы проводятся с использованием аналогичных живым тканей.

Все о программном обеспечении для 3Д принтера

Моделирование и печать невозможны без специализированного САПРа. Компания «ЗВСОФТ» предлагает несколько программ для эффективной работы с 3D моделями:

ZWCAD 2018 Professional – базовый CAD с широкими возможностями для расчета и проектирования объемных чертежей. Среди возможностей:

• Создание и редактирование моделей привычными инструментами.
• Взгляд на объект в перспективе – функция DVIEW.
• Рендеринг части сцены.
• Визуализация.
• Интеграция большого количества форматов.
• Удобный интерфейс.
• Работа с динамическими блоками.
• Возможность установки дополнительных надстроек.
• Экспорт в форматы, поддерживаемые 3д принтерами (через дополнительные приложения).

ZW3D – специализированный САПР для трехмерного конструирования. Достоинства:

• Выгрузка объемных чертежей с трудной геометрией.
• Реверсивный инжиниринг.
• Принцип гибридного моделирования.
• Расположение слоев на различных уровнях в одном файле.
• Совместимость с большинством форматов.
• Библиотека готовых и пополняемых деталей.
• Поддержка всех форматов файлов 3d принтеров.

form•Z jr – приложение, которое идет к базовой платформе. Оно предназначено для проектирования объемных объектов и создания дизайна, поэтому большое внимание уделено проработке деталей. Преимущества:

• Интуитивно понятный интерфейс.
• Структурирование.
• Работа с рельефами поверхности в RenderZone.
• Округление линий.
• Визуализация с поддержкой освещения.
• Инструмент анализа NURBZ.
• Прямой экспорт в STL.

В статье мы рассказали вам о принтере 3Д – как он выглядит, что из себя представляет и для чего нужен. Начиная работу в трехмерном пространстве, выбирайте удобное и многофункциональное программное обеспечение.