Як працює 3D-принтер? Вироби на 3D-принтері

Поява на ринку 3D-принтерів ознаменувало нову епоху. Якщо раніше продукція, розроблена на базі високих технологій, в побутовому господарстві дозволяла вирішувати звичні завдання, то у випадку з тривимірною печаткою пропонується новий спосіб застосування пристроїв. Зрозуміло, новим він є тільки для рядового користувача, так як в промисловості і на виробничих підприємствах схожі технології використовуються давно. Але в кожному разі друк на 3D-принтері значно розширює можливості споживача, до освоєння яких, як показує практика, готові далеко не всі. Багато в чому це пов'язано зі складністю технологічної реалізації апаратів, а також з нюансами їх експлуатації.

Але найцікавіші питання стосуються користі від таких принтерів. Які вироби дозволяє створювати даний пристрій? Для яких цілей його продукцію можна використовувати? І як працює 3D-принтер? Це важливі питання, так як тривимірна друк все ж є недешевим задоволенням. Тому купувати відповідне обладнання заради цікавості, м'яко кажучи, недоцільно. Принаймні, варто детальніше вникнути в робочі процеси друку і з'ясувати, яку користь від них можна чекати.

Що таке 3D-принтер?

Це пристрій для тривимірного друку, за допомогою якого можна генерувати об'ємні предмети, дублюючі заздалегідь підготовлену віртуальну модель об'єкта. У порівнянні з традиційними принтерами, які виводять електронний текст на папір, 3D-пристрої забезпечують висновок тривимірної інформації, тобто створюють об'єкти з реальними фізичними параметрами. Власне, для розуміння того, як працює 3D-принтер, слід розглянути етапи виготовлення твердих предметів з його допомогою.

Принцип роботи в загальних рисах

Починається робота з створення віртуального шаблону на комп'ютері за допомогою спеціальної програми. Далі відбувається обробка програмним способом моделі з метою її поділу на шари. Після цього в роботу вступає технічна частина принтера, пошарово формуючи масу з композитного порошку для подальшого виготовлення предмета. У міру заповнення спеціальної камери матеріалом вісь принтера розподіляє масу по робочій поверхні. Після формування кожного шару головка пристрою накладає клейову основу. Повторюється цей процес до моменту, поки не буде виконаний об'єкт, розроблений в програмі для друку. Важливо враховувати, що виготовлення на 3D-принтері може виконуватися за різними технологіями. Відповідно, змінюється і техніка друку, і властивості використовуваного матеріалу, а також підходи до програмної реалізації завдання.

Технологія швидкого прототипування

Незважаючи на відмінності в нюансах процесу виготовлення, практично всі пристрої для тривимірного друку працюють на принципі швидкого прототипування. У відповідності з цією концепцією, виробництво здійснюється шляхом швидкого формування дослідних моделей для попередньої демонстрації можливостей майбутнього продукту. Замислювалася технологія ще в 1980-х роках з метою створення зразків і заготовок. Сьогодні цей метод відомий якадитивну виробництво, розуміння якого і дасть відповідь на питання про те, як працює 3D-принтер і що відрізняє його функцію від традиційних підходів до виготовлення предметів. Так, якщо в процесі фрезерування, точіння і електроерозійної обробки відбувається видалення матеріалу, а кування, пресування і штампування змінюють форму заготовки, то адитивна виробництво передбачає збільшення маси матеріалу за допомогою нарощування шарами. Іншими словами, 3D принтер змінює фазовий стан речовин в певних межах простору. На сьогоднішній день тривимірна друк розвивається в декількох напрямках, серед яких можна виділити Стереолітографіческая технології (STL), методи нанесення термопластів (FDM) і лазерне спікання (SLS).

Метод пошарового наплавления термопласта

Це, мабуть, найбільш популярна техніка тривимірного виготовлення. Поширеності FDM-апаратів сприяє відразу кілька факторів. У першу чергу в роботі пристроїв використовуються відносно недорогі пластики. Також має значення проста техніка експлуатації, що особливо важливо в роботі з таким обладнанням. Як правило, технології 3D-принтерів цього типу передбачають роботу з термопластика, одним з яких є полілактид. Серед переваг цього матеріалу відзначається екологічність, оскільки отримують даний пластик з цукрової тростини та кукурудзи.

Головним же елементом у самому принтері варто назвати екструдер, який виконує завдання друкованої головки. Втім, у цій частині не все так однозначно, оскільки елемент являє собою комплекс окремих компонентів. Якщо розглядати термін «екструдер» у звичному розумінні, то до нього буде ставитися тільки частина голівки у вигляді, що подає. Так чи інакше, друкуюча основа подає пластик для 3D-принтера шляхом нанесення розплавленої нитки. Рух механічної частини забезпечується електромотором. У підсумку механізм направляє нитку в нагреваемую трубу сопла, яка і формує кінцевий об'єкт.

Стереолітографіческая установки

Технологія лазерної стереолітографії сьогодні широко застосовується в протезуванні зубів. Це другий за популярністю тип принтерів для 3D-друку. Відмінною рисою Стереолітографіческая пристроїв є отримання неперевершено високої якості об'єктів. Досягаються такі результати завдяки дозволу апаратів, яке може обчислюватися одиничними мікронами. Тому цілком логічно, що робота 3D-принтера на основі лазерної стереолітографії високо цінується не тільки стоматологами, а й ювелірами. Програмна частина пристрою багато в чому нагадує FDM-аналоги, але є і цілий ряд особливостей технології. Незважаючи на той факт, що принцип друку називають лазерної стереолитографом, все частіше функція такого обладнання базується на світлодіодних ультрафіолетових проекторах.

Проекторні моделі надійніше лазерних і за ціною обходяться дешевше. Для них не потрібні делікатні дзеркала, що забезпечують відхилення променів, що спрощує конструкцію. У той же час друк на 3D-принтері з проекторами відрізняється високою продуктивністю. Дана перевага досягається завдяки тому, що відбувається не послідовне, а повне засвічування контуру шару.

Лазерне спікання

Ще один різновид застосування лазерного методу. У цьому випадку застосовується Легкоплавні пластик. Потужний лазер промальовує по пластиковій основі перетин об'єкта, що призводить до плавлення і спікання матеріалу. Так відбувається з кожним шаром до отримання завершеною моделі, яку підготувала програма для 3D-принтера в якості заготовки. Залишки пластикового порошку стряхиваются з отриманого предмета в кінці робочого процесу. Істотним недоліком таких апаратів є створення об'єктів з пористою поверхнею. З іншого боку, це ніяк не впливає на міцність виробів. Більше того, саме вийшли з таких принтерів моделі є найбільш довговічними. Сама ж установка має складну конструкцію і, як наслідок, високу вартість. При цьому і процес виготовлення забирає багато часу в порівнянні з 3D-принтерами інших типів. Як відзначають користувачі, швидкість формування моделі становить кілька сантиметрів на годину.

Витратні матеріали

Основним матеріалом для створення моделей шляхом тривимірного друку є термопластик. Крім уже згаданих різновидів, варто відзначити пластик для 3D-принтера у форматах ABS і PLA. Також використовується нейлон, полікарбонат, поліетилен та інші види, також використовуються в промисловості. При цьому деякі установки допускають і змішування матеріалів, а також використання допоміжних речовин, що поліпшують якісні характеристики майбутнього виробу. Наприклад, для цієї мети використовують полівініловий спирт, який, по суті, є тією ж різновидом пластика PVA. Розчинивши його у воді, користувач може створювати складні геометричні фігури.

Найбільш же екзотичним матеріалом для використання в подібних завданнях є метал. Щоб отримати такий виріб, також застосовують 3D-моделі для друку на 3D-принтері, а відмінності технології зводяться до функції друкуючої головки. З її допомогою наноситься єднальна клейка маса в місця, куди вказує комп'ютерна програма. Далі на всю робочу область головка завдає тонкий пласт металевої пудри. Тобто метал не плавиться, як у випадку з пластиками, а накладається і склеюється пошарово у вигляді найдрібніших частинок.

Управління роботою принтера

Для початку варто відзначити операції, які контролюються користувачем через комп'ютер. Це регулювання температури сопла і робочого майданчика, темпи подачі матеріалу та роботи електромотора, який забезпечує позиціонування друкуючої головки. Всі ці дії знаходяться під управлінням електронних контролерів. Як правило, сучасні моделі таких пристроїв базуються на системі Arduino з відкритою архітектурою. Що стосується програмного мови, то в принтерах використовується так званий G-код, побудований на командах управління обладнанням для друку. На цій стадії можна перейти до розгляду програм-слайсерів, які забезпечують переклад 3D-моделі для друку на 3D-принтері в зрозумілий контролерам код. Відразу треба сказати, що таке програмне забезпечення не має прямого відношення до розробки графічних моделей.

Програмне забезпечення

У перелік основних завдань слайсерів входить установка параметрів, відповідно до яких буде здійснюватися друк. Вибір конкретної програми визначається типом принтера. Наприклад, пристрої RepRap увазі використання слайсерів, виконаних з відкритим кодом. Серед таких можна виділити Replicator G і Skeinforge. Однак чимало і виробників, які рекомендують використовувати тільки фірмове ПЗ від конкретних компаній. Це, зокрема, відноситься до апаратів Cube від фірми 3D Systems. Що ж стосується моделювання виробів, то цим займається спеціальна програма для 3D-принтера, призначена для тривимірного проектування. Зазвичай для цих цілей використовують CAD-редактори, які, втім, вимагають певного досвіду роботи з дизайном 3D.

Які вироби можна отримати?

Спектр можливостей тривимірних принтерів активно розширюється, що дозволяє створювати продукцію для самих різних сегментів ринку. Якщо говорити про будівництві та архітектурі, то тут дуже цінуються можливості виготовлення макетів, для яких, власне, і розроблялася концепція адитивного виробництва. У машинобудівній промисловості також широко використовується 3D-принтер. Вироби в даному випадку можуть бути представлені і споживчою продукцією, і окремими елементами для концептів. Як вже говорилося, висока точність виготовлення деталей була високо оцінена працівниками медицини. Крім протезування, 3D-принтер використовується у виготовленні макетів і зразків органів.

Відгуки про 3D-принтерах

Незважаючи на активну популяризацію такого способу друку, масовий споживач поки ще скептично дивиться в цьому напрямку. Почасти це пов'язано з високою вартістю устаткування, але в більшості своїй навіть досвідчені споживачі нових гаджетів не знаходять по-справжньому важливих завдань, які могли б вирішувати в домашніх умовах 3D-принтери. Відгуки власників між тим відзначають легкість, з якою можна вирішувати елементарні проблеми в побуті. Приміром, апарат дозволяє швидко виготовити відсутню деталь для установки меблевого гарнітура, прикрасити дизайн, виготовити іграшку для дитини або ж оригінальну підставку для телефону. За словами користувачів, робота з обладнанням хоч і вимагає витрат на витратні матеріали, в довгостроковій перспективі виправдовує всі вкладення.

Висновок

Пристрої для тривимірної друку самі по собі є дивиною і вимагають окремого розгляду для розуміння відмінностей всередині сегмента. Але навіть знання загальних принципів того, як працює 3D-принтер, дозволяє говорити про великий споживчому потенціалі таких пристроїв. Теоретично за допомогою такого обладнання можна налагодити домашнє безвідходне виробництво. Інше питання - що саме виготовляти на такому принтері? Але відповідь дає кожен користувач індивідуально, виходячи зі своїх потреб. За досить значну суму можна отримати справжній конвеєр. На даному етапі його можливості оцінюють в основному фахівці, які використовують друк 3D у вирішенні своїх професійних завдань.