Аддитивные технологии долго шли в массы: институты и исследовательские центры вплотную занимались ими ещё с 80-х годов, и вот настал момент, когда вы можете прикоснуться к хайтеку и освоить 3D-печать прямо у себя дома. Для этого даже не придётся грабить банк: цены на 3D-принтеры сравнялись со средними смартфонами. Разбираемся, как это работает и какие возможности открываются для мейкеров и DIY-энтузиастов!
Всё для 3D-печати ❯
Зачем нужен 3D-принтер
Принтер весьма пригодится инженерам-самодельщикам. Вам больше не придётся искать универсальный корпус для проекта, а потом сверлить в нём дополнительные отверстия. 30 минут проектирования, несколько часов на печать — и у вас уже готов корпус, который идеально подходит именно под ваше устройство. Сборка из 5 шилдов никуда не влезает? Забудьте о таких проблемах.
Принтер точно поможет в ремонте штуковин по дому. У каждого в жизни случалась ситуация, когда вещь приходилось выбросить, хотя в ней сломалась всего одна пластиковая деталь. С помощью 3D-печати вы сможете легко заменить в приборах редкие пластиковые детали, которые трудно найти отдельно.
Пока вы не научились моделировать пластиковые детали самостоятельно, их можно попросту качать в интернете. Существует множество сайтов с миллионами готовых бесплатных моделей, которыми свободно обмениваются пользователи. Мы посвятили поиску моделей отдельную статью.
Какие бывают 3D-принтеры
Существует несколько основных видов 3D-принтеров, которые кардинально отличаются между собой по принципу работы.
Технология FDM (Fused Deposition Modeling)
Наиболее распространённый тип — FDM-принтеры с послойным наплавлением пластика. Они работают за счёт подвижной печатной головки с нагревательным элементом. В неё подаётся пластик в виде прутка, который плавится и в жидком виде выдавливается на печатный стол. При этом пластик обдувается вентилятором и мгновенно застывает, а головка начинает выдавливать новый слой поверх застывшего.
Технология SLA (Stereolithography Apparatus)
SLA-принтеры работают на основе стереолитографии: вместо пластика здесь используется специальная фотополимерная смола, которая застывает под воздействием ультрафиолетовых лучей. Для печати смола наполняется в ванночку, снизу которой расположен дисплей с ультрафиолетовыми пикселями. На него в течение нескольких секунд выводится рисунок нижнего слоя модели. При этом смола над дисплеем застывает в виде отображаемого рисунка и затем прилипает на специальный подвижный стол сверху. После этого стол с первым слоем приподнимается, и в смоле происходит полимеризация следующего слоя.
Технология SLS (Selective Laser Sintering)
SLS-принтеры используют технологию выборочного лазерного спекания, для которой применяется специальный пластиковый порошок. В процессе печати насыпается тонкий слой порошка, и принтер обрабатывает его лазером, чтобы слой затвердел в соответствии с моделью. Далее насыпается следующий слой порошка и сплавляется с предыдущим — и так по кругу. В конце остаётся лишь очистить готовую деталь от остатков порошка, которые затем можно использовать повторно.
Сравнение технологий
Каждый тип 3D-принтеров имеет свои преимущества и недостатки.
- SLS-принтеры обладают большими размерами и требуют дорогого сырья. Они часто используются на высокотехнологичных производствах для штучных деталей.
- SLA-принтеры распространены гораздо шире. Ультрафиолетовый дисплей повышает точность, однако работать с токсичной фотополимерной смолой дома затруднительно.
- FDM-принтеры пользуются наибольшей популярностью у хоббистов. Пластиковый пруток стоит гораздо дешевле специального порошка или фотополимерной смолы. Однако, для печати сложной геометрии на таком принтере придётся позаботиться о вспомогательных поддержках. Да и скорость печати в среднем ниже, чем на других технологиях. Зато FDM-принтеры самые простые и безопасные в обслуживании.
Как выбрать 3D принтер
Выбирая принтер, в первую очередь надо определиться с тем, по какой технологии происходит печать. Прибор любительского уровня, а только такой потенциально может купить себе среднестатистический потребитель, а не целое предприятие, работают на основе разработки под названием Пластик Джет (PJP), в некоторых источниках она обозначается как Fused Deposition Modeling (FDM) или Fused Filament Fabrication (FFF). По сути это одно и то же.
Виды материалов для любительской печати
В основном для печати на устройствах такого типа используется пластик с разными характеристиками. Фасуется он в виде пластикового шнура, намотанного на катушку, или нарезанного соломкой. Массово используется пластик двух видов: ABS и PLA.
АБС пластик безопасен, не токсичен, подходит для детских изделий, более того, с ним можно работать в присутствии детей. Изделия из него прочные, долго служат. Недостаток пластика – теряет товарный вид на солнце и на сильном морозе. Его чаще используют в профессиональном изготовлении деталей.
ПЛА пластик (полилактид) более хрупкий, служит не так хорошо. Зато он более пластичен и дает больше возможностей для сложных форм. Он является натуральным продуктом, так как производится из кукурузы и сахарного тростника. В утилизации он экологичен, на 100% разлагается на безопасные компоненты. Изделия из PLA устойчивы к истиранию, держат свою геометрию. Следовательно, пластик отлично подходит для движущихся элементов. В целом, это скорее любительский вариант пластика.
Альтернативные материалы для 3D печати
Помимо пластика для работы на таких принтерах используют следующие материалы.
- Нержавеющая сталь. Используется только в профессиональном оборудовании. Дает большие возможности для изготовления деталей.
- Дерево. По факту не дерево, а смесь связывающего полимера с деревянной добавкой. Этот материал стоит очень дорого, в работе особых навыков не требует. Изделия из него «теплые», внешне не отличить от дерева.
- Смола тоже стоит дорого. Из нее можно распечатать детали высокой точности, с великолепным качеством поверхности – гладкие и прочные. Под действием солнца смола теряет прозрачность.
- Нейлон. Применяется в основном для изготовления элементов промышленного и медицинского назначения.
Важно! Покупая материал для печати, следует учесть, что формат катушки и толщина шнура должны совпадать с рабочими характеристиками принтера.
Характеристики 3D принтеров
Чтобы выбрать принтер или провести анализ для выявления лидера, надо понимать, какие характеристики устройств являются ключевыми.
- Область печати. Этот параметр определяет максимальный объем деталей, которые возможно создать с помощью данного оборудования. В документации указывается или объем в куб.см или предельные линейные размеры в мм.
- Разрешение печати (слоя). Это толщина слоя, которым наносится материал. Чем выше разрешение, тем тоньше наносится пластик, рельефы спокойные, поверхность качественная. Ниже эта величина – детали выходят более «топорными», без тонкой проработки. В некоторых приборах данный параметр может выставляться оператором.
- Экструдер. Это рабочий узел принтера, который отвечает за подготовку (разогрев) и выдачу материала. Пластик (или другое сырье) размягчается под действием высоких температур в сопле и подается на печать (экструдируется). В состав данного узла входит непосредственно сопло, транспортер для шнура (нити пластика), температурный контролер и охлаждающий механизм. 3D принтеры с одним экструдером за проход могут работать только одной нитью. Чтобы появилась возможность многоцветной печали, в приборе должно быть, по крайней мере, 2-3 экструдера. В промышленных устройствах возможен вариант одного узла с двойным соплом. Это дорого, и бытовые устройства так не оборудуются.
3D принтер с двумя экструдерами
- Принтеры могут «коннектиться» с внешними устройствами (компьютером, смартфоном или просто внешней памятью) посредством USB и/или Wi-Fi. Не всегда это является обязательным условием для работы.
- Прошивка принтера (программное обеспечение). По умолчанию оно является предустановленным. В его обязанности входит распознание, обработка документов в формате stl для последующей печати. Создаются же эти файлы в профессиональных программах, вроде Скетчап и Autodesk Inventors Fusion.
- Дополнительные функции. Эргономика, дизайн и другие детали не вмешиваются в рабочие процессы в принтере, но часто определяют его стоимость.
3D принтеры могут поставляться как самостоятельный прибор (Assembled) или в формате конструктора, когда пользователь сам его собирает (DIY). Второй вариант стоит значительно меньше.
Как подготовить печать
Процесс от зарождения идеи до выхода готовой пластиковой детали несложный — школьник справится. Мы разобрали всё по полочкам в руководстве по 3D-печати на примере принтера Flying Bear Ghost 5, а здесь покажем общий принцип.
Исходная модель
Сначала нужно создать или скачать 3D-модель будущей детали. Как правило, исходники хранятся в формате STL, который описывает полигональную структуру модели в виде множества треугольников. Но сразу отправить подобный файл на принтер не удастся: для успешной печати сперва нужно разбить детальную 3D-модель на слои, которые по зубам принтеру.
Слайсинг
Программа для нарезки моделей (слайсер) потребует от вас самую малость — ввести модель вашего принтера и задать настройки печати: толщину слоя, процент внутреннего заполнения детали, вспомогательные опоры и тому подобное. На основе этих данных слайсер автоматически подготовит специальный код для принтера — G-Code, в котором описано, как нужно двигать печатающей головкой, до какой температуры её нагревать и с какой скоростью выдавливать пластик, чтобы слой за слоем получить желаемую модель. Затем остаётся загрузить этот код в 3D-принтер и запастись терпением до конца печати.
Весь процесс подготовки модели наглядно иллюстрируется программой и снабжается интуитивными подсказками для начинающих пользователей. В общем, не так страшен слайсинг, как его малюют!
Обработка
После того, как модель готова, её можно дополнительно обработать шкуркой или химическим раствором. Это сгладит неровности между слоями, и деталь будет выглядеть прямо как заводская. В интернете немало лайфхаков, которые помогут минимизировать изъяны модели и придать ей улучшенный вид.
Расходники для печати
Свойства напечатанной вещи во многом зависят от сырья. Как мы уже говорили, 3D-принтеры FDM используют в качестве расходника пластиковые нити, и у вас есть огромный простор для экспериментов с разными видами пластика.
- PLA-пластик хорошо поддаётся экструзии и позволяет печатать сложные формы при относительно низких рабочих температурах головки от 190 °C. Биоразлагаемость PLA играет на руку экологии, но в то же время, вещи из него получаются не слишком прочные.
- PETG-пластик прочнее, чем PLA, но тоже хорошо подходит для принтеров с нагревом в районе 200 °C. Разновидности пластика PET хорошо знакомы вам по пакетам и пластиковым бутылкам от газировки.
- ABS-пластик обладает более высокой прочностью по сравнению с остальными типами. Однако для качественной печати из пластика ABS вашему принтеру понадобится повышенная температура экструзии порядка 250 °C и подогреваемый до 120 °C стол, поэтому не всякая модель замахивается на его поддержку.
- HIPS-пластик близок по температурным свойствам к ABS, но обладает низкой спекаемостью с ним и легко удаляется органическим растворителем. Благодаря этому пластик HIPS часто применяют для печати составных моделей и опор под модели из ABS.
- Пластик Wood производится с добавлением древесной пыли. Готовые модели из него неплохо имитируют древесину не только своим видом, но и запахом.
Катушки пластика встречаются в продаже на каждом шагу — вам не составит труда выбрать подходящие расходники и комбинировать различные свойства и цвета деталей при печати.
FDM или FFF
Технология FDM (fused deposition modeling) подразумевает под собой печать с помощью сопла-дозатора, из которого выдавливается какой-либо материал и постепенно наносится на объект слой за слоем, выстраивая трехмерную модель. В качестве материалов для этого вида 3d печати чаще всего выступают пластики (в виде нитей на катушке), но не только. Например, FDM принтеры можно использовать в качестве кулинарного помощника (в этом случае заправляется глазурь, сыр, тесто и др. необходимые для блюда компоненты) или FDM принтер можно использовать в медицине (в этом случае заправляется специальный медицинский гель с набором живых клеток — как правило, используется в биомедицине). Технология FDM печати была разработана С. Скоттом Трампом еще в конце 80-ых годов прошлого века и на рынок вышла в 1990 году. Другое название этой технологии печати FFF (Fused Filament Fabrication) или «Производство методом наплавления нитей» — оно было придумано для обхода юридических ограничений для аббревиатуры FDM, которая принадлежит компании Stratasys. Этот вид 3d принтеров наиболее распространен в качестве бытовых 3d принтеров, так как является наименее затратным в обслуживании. В производстве FDM принтеры чаще всего применяются для быстрого прототипирования или быстрого моделирования объектов, например, мелкосерийной партии каких-либо деталей. В быту такие принтеры могут использоваться для самых различных целей, например, для печати игрушек, сувениров или украшений.
