Статьи

Cura для 3D-печати - скачать

Скачать Cura для Windows

Версия: 2.1.3 32 bit (Дата релиза: 16/08/16)
Версия: 2.1.3 64 bit (Дата релиза: 16/08/16)
Версия: 2.1.2 32 bit (Дата релиза: 07/06/16)
Версия: 2.1.2 64 bit (Дата релиза: 07/06/16)
Версия: 15.04.6 (Дата релиза: 07/06/16)
Версия: 15.04.5 (Дата релиза: 17/03/16)
Версия: 15.04.4 (Дата релиза: 05/01/16)
Версия: 15.04.03 (Дата релиза: 04/11/15)
Версия: 15.04.2 (Дата релиза: 28/07/15)
Версия: 15.04 (Дата релиза: 15/04/15)
Версия: 15.02.1 (Дата релиза: 19/02/15)
Версия: 15.01 (Дата релиза: 30/01/15)
Версия: 14.12.1 (Дата релиза: 15/12/14)
Версия: 14.09 (Дата релиза: 19/09/14)
Версия: 14.07 (Дата релиза: 03/07/14)
Версия: 14.06.1 (Дата релиза: 16/06/14)
Версия: 14.03 (Дата релиза: 03/07/14)
Версия: 14.01 (Дата релиза: 10/01/14)
Версия: 13.12 (Дата релиза: 23/12/13)
Версия: 13.11 (Дата релиза: 22/11/13)
Версия: 13.10 (Дата релиза: 10/10/13)
Версия: 13.06.04 (Дата релиза: 26/06/13)
Версия: 13.04 (Дата релиза: 26/04/13)
Версия: 13.03 (Дата релиза: 08/03/13)
Версия: 12.12 (Дата релиза: 24/12/12)
Версия: 12.11 (Дата релиза: 12/11/12)
Версия: 12.10 (Дата релиза: 08/11/12)

Скачать Cura для MacOS X

Версия: 2.1.3 (Дата релиза: 16/08/16)
Версия: 2.1.2 (Дата релиза: 07/06/16)
Версия: 15.04.6 (Дата релиза: 07/06/16)
Версия: 15.04.5 (Дата релиза: 17/03/16)
Версия: 15.04.4 (Дата релиза: 05/01/16)
Версия: 15.04.03 (Дата релиза: 04/11/15)
Версия: 15.04.2 (Дата релиза: 28/07/15)
Версия: 15.04 (Дата релиза: 15/04/15)
Версия: 15.02.1 (Дата релиза: 19/02/15)
Версия: 15.01 (Дата релиза: 30/01/15)
Версия: 14.12.1 (Дата релиза: 15/12/14)
Версия: 14.12 (Дата релиза: 09/12/14)
Версия: 14.09 (Дата релиза: 19/09/14)
Версия: 14.07 (Дата релиза: 03/07/14)
Версия: 14.06 (Дата релиза: 06/06/14)
Версия: 14.03 (Дата релиза: 17/03/14)
Версия: 14.01 (Дата релиза: 10/01/14)
Версия: 13.12 (Дата релиза: 23/12/13)
Версия: 13.11 (Дата релиза: 22/11/13)
Версия: 13.10 (Дата релиза: 08/10/13)
Версия: 13.06.05 (Дата релиза: 27/06/13)
Версия: 13.04 (Дата релиза: 26/04/13)

3D-печать металлами

3D-печать металлами можно считать одним из наиболее заманчивых и технологически сложных направлений аддитивного производства. Попытки печати металлами предпринимались с ранних дней развития технологий 3D-печати, но в большинстве случаев упирались в технологическую несовместимость. В этом разделе мы рассмотрим технологии, опробованные для печати как композитными материалами, содержащими металлы, так и чистыми металлами и сплавами.

  • 1 Струйная трехмерная печать (3DP)
  • 2 Печать методом ламинирования (LOM)
  • 3 Послойное наплавление (FDM/FFF)
  • 4 Выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS)
  • 5 Выборочная лазерная (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM)
  • 6 Прямое лазерное аддитивное построение (CLAD)
  • 7 Произвольная электронно-лучевая плавка (EBFȝ)



Струйная трехмерная печать (3DP)

Схема работы трехмерных струйных принтеров (3DP)

Струйная 3D-печать является не только одним из старейших методов аддитивного производства, но и одним из наиболее успешных в плане использования металлов в качестве расходных материалом. Однако необходимо сразу же пояснить, что это технология позволяет создавать лишь композитные модели ввиду технологических особенностей процесса. Фактически, этот метод позволяет создавать трехмерные модели из любых материалов, которые могут быть переработаны в порошок. Связывание же порошка осуществляется с помощью полимеров. Таким образом, готовые модели нельзя назвать полноценно «металлическими».

В то же время, существует возможность преобразования композитных моделей в цельнометаллические за счет термической обработки с целью выплавки или выжигания связующего материала и спекания металлических частиц. Получаемые таким образом модели не обладают высокой прочностью ввиду пористости. Увеличение прочности возможно за счет пропитки полученной цельнометаллической модели. Например, возможна пропитка стальной модели бронзой с получением более прочной конструкции.

Получаемые подобным образом модели, даже с металлической пропиткой, не используются в качестве механических компонентов ввиду относительно низкой прочности, но активно используются в ювелирной и сувенирной промышленности.

Печать методом ламинирования (LOM)

Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)

3D-печать методом ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели.

В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга.

Получаемые модели не являются полностью металлическими, так как их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом же данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования.

Послойное наплавление (FDM/FFF)

Модель, изготовленная из BronzeFill до и после полировки

Наиболее популярный метод 3D-печати также не обошел стороной попытки использования металлов в качестве расходных материалов. К сожалению, попытки печати чистыми металлами и сплавами на данный момент не привели к значительным успехам. Использование тугоплавких металлов натыкается на вполне предсказуемые проблемы с выбором материалов для конструкции экструдеров, которые, по определению, должны выдерживать еще более высокие температуры.

Печать же легкоплавкими сплавами (например, оловом), возможна, но не дает достаточно качественной отдачи для практического применения.

Таким образом, в последнее время внимание разработчиков расходных материалов переключилось на композитные материалы по аналогии со струйной печатью. Типичным примером служит BronzeFill – композитный материал, состоящий из термопластика (детали не разглашаются, но, по всей видимости, используется PLA-пластик) и бронзового порошка. Получаемые модели имеют высокую визуальную схожесть с натуральной бронзой и даже поддаются шлифовке до глянца. К сожалению, физические и химические свойства готовых изделий ограничены параметрами связующего термопластика, что не позволяет классифицировать такие модели, как цельнометаллические.

Тем не менее, подобные материалы могут получить практическое применение не только в создании макетов, сувениров и предметов искусства, но и в промышленности. Так, эксперименты энтузиастов показали возможность создания проводников и экранирующих материалов с использованием термопластиков с металлическим наполнителем. Развитие этого направления может сделать возможной печать электронных плат.

Выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS)

Наиболее распространенный метод создания цельнометаллических трехмерных моделей подразумевает использование лазерных установок для спекания частиц металлического порошка. Данная технология именуется «выборочным лазерным спеканием» или SLS. Стоит отметить, что SLS используется не только для работы с металлами, но и с термопластиками в порошковом виде. Кроме того, металлические материалы зачастую покрываются более легкоплавкими материалами для снижения необходимой мощности лазерных излучателей. В таких случаях готовые металлические модели требуют дополнительного спекания в печах и пропитки для повышения прочности.

Разновидностью технологии SLS является метод прямого лазерного спекания металлов (DMLS), ориентированный, как понятно из названия, на работу с чистыми металлическими порошками. Данные установки зачастую оснащаются герметичными рабочими камерами, наполняемыми инертным газом для работы с металлами, подверженными оксидации – например, с титаном. Кроме того, DMLS-принтеры в обязательном порядке применяют подогрев расходного материала до точки чуть ниже температуры плавления, что позволяет экономить на мощности лазерных установок и ускорять процесс печати.

Схема работы SLS, DLMS и SLM установок

Процесс лазерного спекания начинается с нанесения тонкого слоя подогретого порошка на рабочую платформу. Толщина наносимых слоев соответствует толщине одного слоя цифровой модели. Затем производится спекание частиц между собой и с предыдущим слоем. Изменение траектории движения лазерного луча производится с помощью электромеханической системы зеркал.

По завершении вычерчивания слоя лишний материал не удаляется, а служит опорой для последующих слоев, что позволяет создавать модели сложной формы, включая навесные элементы, без необходимости построения дополнительных опорных структур. Такой подход вкупе с высокой точностью и разрешением позволяет получать детали, практически не требующие механической обработки, а также цельные детали уровня геометрической сложности, недосягаемого традиционными производственными методами, включая литье.

Лазерное спекание позволяет работать с широким ассортиментом металлов, включая сталь, титан, никелевые сплавы, драгоценные материалы и др. Единственным недостатком технологии можно считать пористость получаемых моделей, что ограничивает механические свойства и не позволяет добиться прочности на уровне литых аналогов.

Выборочная лазерная (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM)

Несмотря на высокое качество моделей, получаемых лазерным спеканием, их практическое применение ограничивается сравнительно низкой прочностью ввиду пористости. Подобные изделия могут быть использованы для быстрого прототипирования, макетирования, производства ювелирных изделий и многих других задач, но малопригодны для производства деталей, способных выдерживать высокие нагрузки. Одним решением это проблемы стало преобразование технологии прямого лазерного спекания металлов (DMLS) в технологию аддитивного производства методом лазерной плавки (SLM). Фактически, единственным принципиальным различием этих методов является степень термической обработки металлического порошка: технология SLM основана на полной плавке для получения гомогенных моделей, практически неотличимых по физическим и механическим свойствам от литых аналогов.

Пример титанового имплантата, полученного с помощью технологии электронно-лучевой плавки (EBM)

Параллельным методом, достигшим прекрасных результатов, стала электронно-лучевая плавка (EBM). На данный момент существует лишь один производитель, создающий EBM-принтеры – шведская компания Arcam.

EBM позволяет достигать точности и разрешения, сравнимых с лазерной плавкой, но обладает определенными преимуществами. Так, использование электронных пушек позволяет избавиться от деликатных электромеханических зеркальных систем, используемых в лазерных установках. Кроме того, манипулирование электронными пучками с помощью электромагнитных полей возможно на скоростях, несравнимых более высоких по сравнению с электромеханическими системами, что вкупе с увеличением мощности позволяет добиться повышенной производительности без существенного усложнения конструкции. В остальном же, конструкция SLM и EBM-принтеров схожа с установками для лазерного спекания металлов.

Возможность работы с широким диапазонам металлов и сплавов позволяет создавать мелкие партии специализированных металлических деталей, практически не уступающих образцам, получаемым с помощью традиционных методов производства. При этом отсутствует необходимость создания дополнительных инструментов и инфраструктуры – таких как, литейные формы и печи. Соответственно, возможна значительная экономия при прототипировании или мелкосерийном производстве.

Установки для лазерной и электронно-лучевой плавки успешно используются для производства таких предметов, как ортопедические титановые протезы, лопатки газовых турбин и форсунки реактивных двигателей среди прочих.

Прямое лазерное аддитивное построение (CLAD)

Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Не столько технология 3D-печати, сколько технология «3D-ремонта». Технология применяется исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

В основе CLAD лежит напыление металлического порошка на поврежденные детали с немедленной наплавкой с помощью лазера. Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом.

Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации.

Произвольная электронно-лучевая плавка (EBFȝ)

Схема работы EBFȝ принтеров

Технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости. Так как отсутствие гравитации делает работу с металлическими порошками практически невозможной, технология EBFȝ подразумевает использование металлических нитей.

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала.

Данная технология позволит создание металлических запасных частей на орбите, что позволит существенно сократить затраты на доставку частей и обеспечит возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.

Фотополимерный 3D-принтер

3D-принтеры можно сортировать не только по применяемым технологиям печати, но и по используемым расходным материалам. В этом разделе мы рассмотрим устройства, использующие для построения моделей фотополимерные смолы.

  • 1 Расходные материалы
  • 2 Лазерная стереолитография (SLA)
  • 3 Проекторная стереолитография (DLP)
  • 4 Многоструйная печать (MJM и PolyJet)
  • 5 3D-ручки
  • 6 Дополнительная засветка



Расходные материалы

Фотополимерные смолы – жидкие полимеры, затвердевающие при облучении светом. Как правило, такие материалы чувствительны к ультрафиолетовому диапазону, что обуславливает конструкцию фотополимерных принтеров. Одним из распространенных элементов конструкции служит прозрачный цветной колпак или корпус из материала, фильтрующего ультрафиолетовое излучение. Это делается как для защиты глаз пользователя, так и для защиты расходного материала внутри принтера от воздействия солнечных лучей и фонового освещения.

Фотополимерная смола загружается в 3D-принтер Form 1

Физические свойства смол после полимеризации широко рознятся. Доступны как твердые, так и гибкие варианты, прозрачные и матовые. Также доступен широкий выбор цветов. Консистенция смол и время засветки также варьируются, поэтому при выборе принтера стоит учитывать и ассортимент совместимых материалов.

Последним аспектом, на который стоит обращать внимание при выборе материала, это его токсичность. Существуют как довольно токсичные варианты, так и биологически безопасные.

Стоимость расходных материалов можно считать ахиллесовой пятой фотополимерной печати. Сами установки уже достигают вполне приемлемых ценовых уровней, но найти недорогие фотополимерные смолы пока еще достаточно сложно. Стоит надеяться, что распространение недорогих фотополимерных принтеров приведет к увеличению объемов производства расходных материалов и снижению цен.

Лазерная стереолитография (SLA)

Модель, полученная с помощью SLA-печати

Первенец фотополимерной печати и современной 3D-печати в целом. Технология была разработана в 1984 году Чарльзом Холлом, впоследствии основавшим компанию 3D Systems.

SLA-принтеры используют лазерные излучатели для отверждения расходного фотополимерного материала.

Типичный SLA-принтер состоит из кюветы с расходным материалом, сидящей под рабочей платформой, приводимой в вертикальное движение подъемно-опускающим механизмом.

Как вариант, в движение может приводиться сама кювета – важно лишь относительное перемещение платформы и контейнера. Над кюветой располагается лазерный излучатель и зеркальная система отклонения лазерного луча.

В процессе печати платформа погружается в расходный материал на толщину одного слоя цифровой модели.

Так как фотополимерные смолы могут быть достаточно густыми, для ускорения процесса зачастую применяется выравнивающий механизм.

Схема работы SLA принтера

После выравнивания начинается процесс засветки материала. Засветка производится лазерным облучением. Большинство фотополимерных смол рассчитаны на застывание (полимеризацию) при воздействии ультрафиолетового света, что определяет выбор частоты лазерного излучения. Движение луча по осям X и Y определяется работой отклоняющих зеркал.

После завершения вычерчивания слоя, платформа погружается в материал на толщину еще одного слоя, и процесс повторяется с вычерчиванием следующего слоя цифровой модели.

Анимация процесса построения модели

SLA-печать занимает достаточно длительное время, и принтеры, использующие этот метод, как правило, имеют относительно небольшие области построения.

Это объясняется в основном дороговизной лазерных излучателей: печать больших объектов одним лазером будет занимать слишком много времени, а установка дополнительных излучателей и зеркал усложнит конструкцию, увеличит габариты установки и поднимет цену до неприемлемого для большинства пользователей уровня.

Несмотря на успех этой технологии, более перспективным, хотя и весьма схожим методом, считается проекторная стереолитография.

Проекторная стереолитография (DLP)

Настольный DLP принтер Formlabs Form 1. Обратите внимание на защитный прозрачный корпус

Близкий родственник лазерной стереолитографии, этот метод использует цифровые светодиодные проекторы вместо лазерных установок с зеркальными системами отклонения. Метод стал популярным благодаря развитию технологии производства недорогих цифровых проекторов с высоким разрешением силами компании Texas Instruments.

Засветка слоев производится с помощью цифрового проектора, высвечивающего шаблоны целого слоя, что и отличает этот метод от SLA, где «картинка» вырисовывается поступательно с помощью ультрафиолетового лазера.

Подобный подход ранее использовался на установках типа SGC, но в этой технологии применялись физические фотошаблоны, что делало процесс дорогостоящим, трудоемким, медленным и шумным.

На данный момент продолжает существование технология FTI – развитие SGC, практически неотличимое от DLP-печати, так как в ней тоже применяются цифровые светодиодные проекторы.

Конструкция DLP-принтера

Одновременная засветка целого слоя с помощью проекторов позволяет значительно ускорить процесс печати даже по сравнению с SLA-принтерами, имеющими высокую скорость сканирования (т.е. перемещения луча).

Кроме того, такие принтеры менее чувствительны к грубому физическому воздействию ввиду отсутствия деликатных зеркальных систем.

Отсутствие механических зеркальных систем позволяет увеличить точность. Наконец, стоимость проекторов выгодно отличает их от лазерных систем.

Размер проекции может быть весьма значительным, достигая среднестатистических показателей популярных FDM-принтеров.

Интересной особенностью DLP-принтеров является возможность «обратной» или «перевернутой печати».

В этом случае проектор устанавливается под прозрачной (важен выбор материала для прозрачности в отношении ультрафиолетового света) кюветой, а платформа не погружается в материал, а постепенно поднимается, вытягивая слои засвеченного полимера.

Такой подход позволяет избавиться от выравнивающего механизма и добиться даже более высокого разрешения по оси Z, чем SLA-принтеры.

Кроме того, размер моделей по высоте не ограничивается глубиной кюветы, что благоприятно сказывается на габаритах принтера и на возможности увеличения зоны построения.

Многоструйная печать (MJM и PolyJet)

MJM-принтер 3D Systems ProJet 3500HDMax

Технологии MJM и PolyJet практически неотличимы друг от друга. Разница в названиях происходит из соответствующих патентов: технология Multi Jet Modeling принадлежит компании 3D Systems, а PolyJet – конкурирующей компании Stratasys.

Сам принцип многоструйной полимерной печати был выработан израильской компанией Objet, со временем ставшей одним из подразделений Stratasys.

Технология многоструйной печати сочетает черты струйной трехмерной печати (3DP) и проекторной стереолитографии (DLP).

Принцип работы MJM PolyJet принтера

Построение моделей происходит путем напыления фотополимера с помощью линейных массивов, состоящих из множества сопел.

Нанесенный слой немедленно засвечивается ультрафиолетовыми лампами – как правило, два процесса происходят одновременно.

К тому моменту, когда массив достигает конца рабочей камеры, ранее нанесенный материал достаточно тверд для печати нового слоя.

Композитные модели, созданные на стоматологическом принтере ProJet 3500 DP

Такой подход позволяет добиться весьма высокой скорости печати, но отличается высокой сложностью конструкции, что негативно сказывается на стоимости подобных установок и ограничивает их распространение профессиональным применением.

Одним из плюсов технологий MJM и PolyJet является возможность создания композитных конструкций из фотополимерных смол с различными физическими характеристиками.

Таким образом, возможно создание моделей с легкоудаляемыми опорами, использование нескольких цветов и параллельное использование гибких и твердых материалов в пределах одной модели.

3D-ручки

3D-ручка CreoPop для трехмерного рисования фотополимерными смолами 

В последнее время появилась мода на ручные печатные устройства, называемые 3D-ручками. На данный момент существует три основных варианта таких устройств: капельно-струйные ручки (DOD), получившие название BioPen и использующиеся в разработке новых методов лечения поврежденных тканей, FDM 3D-ручки, являющиеся ручными экструдерами (по сути, аналогом привычных термоклеевых пистолетов, но использующие термопластики) и наработки по 3D-рисованию фотополимерными смолами.

Первым «ручным фотополимерным принтером» стала 3D-ручка CreoPop. Конструкция этого устройства достаточно проста, ибо самую сложную функцию, позиционирование, выполняет сам пользователь. Ручка лишь выдавливает смолу через кончик, окруженный светодиодными излучателями.

3D-ручка CreoPop в действии

Таким образом, смола затвердевает сразу после нанесения, позволяя в буквальном смысле рисовать по воздуху.

Преимуществом таких ручек над FDM-аналогами является низкая температура работы – в устройстве отсутствуют какие-либо нагревательные элементы. В итоге, такими ручками можно рисовать даже на коже.

Кроме того, богатый выбор фотополимерных смол с различными физическими свойствами применим и для работы с такими устройствами, что значительно расширяет диапазон возможного применения. Как минимум, это относительно недорогая, но занимательная игрушка.

Единственным недостатком можно считать относительно высокую стоимость расходных материалов, однако вряд ли такие устройства будут требовать больших объемов фотополимерной смолы при применении в быту.

Дополнительная засветка

Окончательная засветка фотополимерных моделей в самодельной камере

Полное отверждение моделей может занять достаточно длительное время, поэтому модели при SLA и DLP-печатиподвергаются лишь частичной полимеризации, достаточной для сохранения физической формы детали.

После изготовления модели, как правило, помещаются в камеры, оснащенные ультрафиолетовыми лампами, до полного отвердения. Само собой, при возможности можно просто выложить модели на солнце – эффект будет тот же самый.

Стоит лишь иметь в виду, что обычное стекло практически не пропускает ультрафиолетовый свет, поэтому воздействие солнечных лучей должно быть прямым.

При желании можно использовать контейнер из прозрачного для ультрафиолета кварцевого стекла.

3D-принтер FDM


  • 1 Описание
  • 2 Общий процесс
  • 3 Конструктивные элементы
    • 3.1 Корпус
    • 3.2 Экструдер
    • 3.3 Рабочая платформа
  • 4 Подготовка цифровой модели
  • 5 Печать
  • 6 Применение



Описание

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) получила широкое распространение среди индивидуальных пользователей и небольших компаний благодаря широким возможностям, относительной простоте и хорошей ценовой доступности. Популярность этого метода заслуживает более подробного описания процесса и используемых принтеров. В этом разделе мы рассмотрим нюансы конструкции принтеров и применение технологии на практике.

Общий процесс

Как и все методы 3D-печати, FDM относится к технологиям аддитивного производства. Термин «аддитивный» является англицизмом от слова «additive», означающим «добавка» или «за счет добавления». Термин предназначен для обособления технологий производства сложных трехмерных изделий, отличающихся от привычных «субтрактивных» («subtractive» - «за счет отделения») методов – фрезеровки, сверления, шлифовки и пр.

FDM можно считать одним из наиболее технологически простых методов 3D-печати. В основе процесса лежит последовательное наслоение тонкой нити расплавленного пластика вплоть до создания цельного трехмерного объекта. В качестве расходного материала используется пластиковая нить, намотанная на катушку. Изредка используются отдельные прутки пластика. Стандартный диаметр нити составляет 1,75мм или 3мм.

Процесс печати состоит из ряда этапов:

  • Создания или импорта цифровой трехмерной модели
  • Обработки цифровой модели для печати с добавлением поддерживающих структур
  • Расположения и ориентировки цифровой модели на рабочем столе
  • Слайсинга – нарезки цифровой модели на отдельные слои с преобразованием данных в инструкции для работы принтера, называемые G-кодом
  • Непосредственно печати
  • При необходимости, физической или химической обработки готовой модели


Конструктивные элементы

Корпус

3D-принтер Ultimaker с открытым деревянным корпусом

В конструкции FDM 3D-принтера важны многие элементы, не всегда очевидные неискушенному человеку. Так, имеет значение материал корпуса в том случае, если он несет нагрузку. Многие FDM принтеры выпускаются с деревянными корпусами – такое решение кажется дешевым и неказистым, но на самом деле помогает поглощать вибрации при печати, что положительно сказывается на качестве изготовляемых моделей. С другой стороны, стальная или алюминиевая рама обеспечивает долговечность и ударостойкость устройства.

Имеет значение и открытая или закрытая конструкция принтера. Хорошо вентилируемая рабочая камера полезна при печати полилактидом (он же PLA-пластик), так как этот материал долго стеклуется. Если напечатанные слои не будут успевать застывать и схватываться, возможно их растекание, либо деформация нижележащих слоев под давлением верхних.

С другой стороны, многие популярные материалы (например, ABS-пластик и нейлон) имеют высокую степень усадки. Под «усадкой» подразумевается сокращения объема материала при остывании. В случае с тем же ABS-пластиком чрезмерно быстрое и неравномерное охлаждение нанесенных слоев может привести к их закручиванию, либо деформации и растрескиванию модели в целом.

3D-принтер PICASO Designer с закрытым пластиковым корпусом

В этом случае корпус с закрытой облицовкой приходится кстати, позволяя добиваться медленного, равномерного охлаждения материала.

Наконец, форма FDM принтера может быть связана и с используемой системой координат.

Так, наиболее популярным вариантом является Декартова или, что точнее в большинстве случаев, прямоугольная система координат.

В последнее время набирает популярность дельтаобразная системы координат – такие устройства именуются «дельта-роботами» и предлагают определенную выгоду в плане точности печати и легкости расширения вертикального размера области построения.

Несущие элементы конструкции и направляющие обычно выполняются из алюминия или стали. Привод экструдера и платформы осуществляется с помощью ремней или винтов.

Экструдер принтера 3DPrintBox в частично разобранном состоянии. Хорошо видна розовая пластиковая нить и протягивающий механизм – две шестерни с проточками в зубьях

Экструдер

Следующим важным элементом является экструдер, то есть печатающая головка принтера. Эти устройства могут варьироваться конструктивно, но в целом содержат одинаковые основные компоненты:

  • Протягивающий механизм для подачи нити в сопло
  • Сопло, служащее для плавки нити и экструзии расплавленного материала
  • Нагревательный элемент для подогрева сопла
  • Вентилятор

Как правило, протягивающий механизм состоит из шестерней или винтов, приводимых в действие электромотором.

Как очевидно, электромотор приводит в движение шестерни, осуществляя подачу пластиковой нити в сопло. В сопле происходит плавка нити с последующей экструзией вязкого материала.

Исключительно важным моментом является резкий градиент температур между нижней и верхней частью сопла – именно для этой цели и устанавливается вентилятор.

При переходе порога температуры стеклования пластик становится мягким, но еще не вязким, расширяясь в объеме. 

Экструдер принтера 3DPrintBox в собранном состоянии. Виден электромотор протягивающего механизма (сверху), двойной вентилятор (в середине) и сопло с присоединенным электронагревательным элементом (внизу)

В этом состоянии возрастает трение материала с внутренними стенками сопла.

Если длина (и, как следствие, площадь) этого участка слишком велика, то суммарный коэффициент трения может стать непосильным для протягивающего механизма.

Таким образом, длина участка сопла с нерасплавленной нитью и длина участка с расплавленным материалом не имеют особого значения, а вот длина участка с пластиком при температуре стеклования должна быть как можно короче.

Самым эффективным решением этой проблемы является применение радиаторов и вентиляторов, охлаждающих нить и верхнюю часть сопла.

Справедливости ради отметим, что время пребывания пластика в расплавленном состоянии тоже следует минимизировать, ибо многие термопластики теряют пластичность после длительного пребывания при высоких температурах, а образующиеся твердые частицы могут забить сопло.

Диаграмма перехода пластиковой нити из твердого состояния в вязкое. Длина среднего участка должна быть как можно короче для предотвращения проблем с проталкиванием материала

Как правило, такого рода проблемы не возникают при нормальной, стабильной экструзии, ибо длина сопла слишком мала.

Забивание сопла может произойти при наличии внутренних неровностей, либо при погрешностях в изготовлении нити: возникающие застои приводят к постепенному образованию крупинок, которые затем увлекаются потоком расплавленного пластика и забивают выходное отверстие.

Наиболее популярные материалы для изготовления сопел – алюминий и латунь.

Диаметр отверстия может варьироваться, но средняя величина составляет 0,3мм.

Отверстия меньшего диаметра позволяют добиваться более высокого разрешения, в то время как увеличение диаметра повышает скорость построения и снижает риск забивания сопла.


Рабочая платформа

Платформа 3D принтера 3D Systems Cube передвигается по осям X и Z, а экструдер – по оси Y

Рабочая платформа служит в качестве поверхности для построения моделей.

В зависимости от используемой системы координат, платформа может быть подвижной или статической.

Как правило, в принтерах, использующих Декартову систему координат, движение платформы в вертикальной плоскости отвечает за вертикальное позиционирование экструдера относительно самой платформы.

Некоторые модели добавляют и движение платформы по одной из осей в горизонтальной плоскости, что позволяет несколько уменьшить габариты устройства при условии наличия открытого корпуса.

Примером таких принтеров служит популярный 3D Systems Cube.

Рабочая платформа дельта-роботов остается на месте. Позиционирование экструдера в трех плоскостях осуществляется исключительно за счет движения трех манипуляторов

Принтеры дельтаобразной конфигурации («дельта-роботы») используют статические платформы.

Позиционирование печатной головки во всех трех измерениях осуществляется исключительно за счет передвижения самого экструдера.

Как правило, экструдер подвешивается на трех манипуляторах, чье скоординированное движение по вертикальным направляющим и перемещает головку.

Ассиметричное движение регулирует позиционирование экструдера по горизонтали за счет изменения угла наклона манипуляторов, а симметричное – по вертикали.

Альтернативно, возможно использование подвижной платформы и стационарного экструдера, но такие дизайны пока не получили широкого применения.

Экспериментальный принтер Quantum Delta использует "перевернутый" дизайн с подвижной платформой и стационарным экструдером

Отличительной особенностью всех дельта-принтеров является цилиндрическая форма области построения. Одним из достоинств подобных дизайнов является легкость наращивания рабочей зоны. Так, для увеличения высоты построения требуется лишь установить направляющие и кабели увеличенной длины.

Тем не менее, даже статические платформы нельзя назвать полностью неподвижными. Перед началом печати требуется калибровка платформы, то есть устранение возможного наклона. Механизмы калибровки могут быть как ручными, так и автоматическими, в зависимости от модели принтера.

В случае ручной калибровки от пользователя потребуется последовательное позиционирование сопла в различных точках платформы.

Для измерения дистанции используются специальные шаблоны, а в случаях наиболее простых или самодельных конструкций – просто листы офисной бумаги, чья толщина примерно соответствует 100 микронам.

Более продвинутые устройства вроде MakerBot Replicator используют специальные сенсоры для точного измерения дистанции. Регулировка наклона производится за счет вращения подпружиненных винтов, на которые опирается платформа.

Калибровка платформы зачастую осуществляется с помощью регулировочных винтов, хотя большинство принтеров помогают в этой задаче, последовательно перемещая экструдер в разные точки платформы

Важность калибровки невозможно переоценить, ибо от нее зависит успех нанесения первого слоя пластика и успех печати в целом.

Если высота сопла будет слишком мала, то экструзия просто не произойдет.

Если слишком велика, то пластик не схватится с поверхностью, и принтер будет печатать «по воздуху», создавая хитросплетения пластиковой нити, не имеющие ничего общего с заданной моделью.

Результатом же наклона платформы может стать сочетание этих двух эффектов. Как бы ни была совершенна конструкция принтера, пользователям рекомендуется прослеживать хотя бы построение первых нескольких слоев модели.

Перфорированный рабочий столик принтера Up! Plus 2 обеспечивает хорошее сцепление пластика с поверхностью, но требует тщательного ухода, так как отверстия легко забиваются

В зависимости от конструкции, рабочая платформа может быть оснащена съемным столиком.

Такое решение зачастую применяется в принтерах с закрытыми корпусами, затрудняющими снятие моделей с платформы или чистку поверхности.

В случае применения перфорированных столиков такое решение просто необходимо, так как чистка поверхности производится вымачиванием в растворителях.

Минусом съемных столиков является возможность возникновения люфта при достаточной слабости креплений или зажимов.

Подогреваемая алюминиевая платформа со съемным стеклянным рабочим столиком принтера PICASO Designer

При печати определенными видами материалов, такими как ABS-пластик или нейлон, платформа оснащается нагревательным элементом. Целью нагрева является замедление остывания нижних слоев ради предотвращения их закрутки, вызываемой усадкой термопластика. Подробнее об этом явлении и методах борьбы можно прочитать в разделе «Как избежать деформации моделей при 3D-печати».

Материалы, применяемые для изготовления рабочих столиков весьма разнообразны. Среди них можно упомянуть алюминий, сталь, акрил – наличие подогрева, само собой, сужает выбор материалов. Популярным выбором в последнее время стало стекло, что обуславливается высокой стойкостью к деформациям и легкости достижения идеально ровной поверхности при производстве. Некоторые производители даже используют вулканическое стекло из-за низкой теплопроводности, позволяющей замедлять охлаждение начальных слоев модели.

Подготовка цифровой модели

Популярный слайсер с открытым исходным кодом ReplicatorG

Само создание цифровых трехмерных моделей не входит в процесс 3D-печати. Для создания моделей используются обычные системы автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» в англоязычной терминологии), включая такие 3D-редакторы, как SolidWorks, AutoCad и LightWave среди многих.

Процесс подготовки модели к печати начинается с импорта трехмерной модели в формате .STL в специальную программу, называемую «слайсер». Такие программы выполняют функции графических редакторов, позволяя добавлять опорные элементы, необходимые для поддержки навесных элементов моделей. Многие слайсеры позволяют добавлять опорные структуры автоматически, не требуя усилий со стороны пользователя. Кроме того, слайсеры позволяют размещать модели на рабочем столе и менять их пространственную ориентацию.

Продвинутые программы позволяют изменять и тонкие настройки печати – толщину наносимого слоя, температуру сопла, учитывать используемый расходный материал.

Возможности слайсеров тесно связаны и с возможностями самих принтеров. Некоторые модели имеют «закрытый код», требующий использования фирменных слайсеров. Среди наиболее популярных слайсеров с открытым исходным кодом такие программы, как Repetier-Host, ReplicatorG и Skeinforge.

Построение опорных структур модели в слайсере Repetier-Host

После того, как цифровая модель размещена на виртуальном рабочем столе, созданы необходимые опоры и выполнены настройки, производится непосредственно слайсинг – нарезание трехмерной модели на виртуальные слои с толщиной, соответствующей толщине слоев наносимого пластика. Каждое такое сечение будет служить в качестве шаблона для построения конкретного слоя физической модели. Конечный результат предоставляется в виде G-кода – набора команд для 3D-принтера, определяющих движение экструдера и платформы в процессе печати. G-код может быть передан непосредственно с компьютера с помощью прямого соединения, либо записан на карту памяти или USB-накопитель для автономной печати при условии, что принтер оснащен необходимым интерфейсом и контрольным модулем.

Печать

Некоторые энтузиасты 3D-печати создают собственные скребки для снятия готовых моделей с рабочего столика

Печать может занимать достаточно продолжительное время, зачастую исчисляемое часами. Продолжительность зависит от скорости печати и размера изготовляемых моделей. Скорость печати, в свою очередь, зависит от сложности модели, совершенства алгоритмов позиционирования, толщины слоя и диаметра сопла. Прерывание процесса печати может привести к потере модели. Хотя некоторые принтеры и позволяют временно останавливать процесс для замены расходного материала, продолжительная пауза приведет к остыванию верхних слоев. При возобновлении печати последующие слои могут «не схватиться» с уже напечатанными.

Для снятия готовых моделей со столика применяются тонкие скребки. В то же время рекомендуется дождаться хотя бы частичного остывания модели во избежание повреждения еще мягких слоев или ожогов при прикосновении к еще горячему пластику. Кроме того, при наличии достаточного терпения можно дождаться полного охлаждения и усадки, которая в большинстве случаев автоматически проводит к отделению модели от столика.

Демонстрация опорных структур в составе готовой модели

В зависимости от рабочего пластика, может быть возможна механическая или химическая обработка. Так, модели из ABS-пластика поддаются обработке парами ацетона, что приводит к сглаживанию шероховатостей и печатных артефактов, но может привести и к потере наиболее деликатных черт модели. В основном, обработка сводится к удалению поддерживающих структур навесных элементов модели. При печати на принтерах с одним экструдером опоры выполняются из того же материала, что и сама модель, несколько усложняя процесс. При использовании принтеров с двумя или более печатными головками, возможно построение опор с использованием водорастворимого поливинилового спирта (PVA-пластика). Подробнее о пластиках, используемых в FDM 3D-печати можно узнать в разделе «Расходные материалы для моделирования методом послойного наплавления».

Применение

3D-печатные прототипы контроллера для игровой приставки Xbox One

Относительная дешевизна FDM принтеров и расходных материалов обуславливает широкую популярность этой технологии. В первую очередь, такие устройства используются для быстрого прототипирования. Различные пластики позволяют создавать функциональные модели всевозможных изделий. Так, популярный в FDM печати ABS-пластик получает широчайшее применение в массовом производстве всевозможных бытовых изделий, автомобильных деталей, инструментов, игрушек, сувениров и пр. Достаточно высокая точность 3D-печати позволяет получать функциональные прототипы, практически не отличающиеся по качеству изготовления от традиционных литых изделий.

3D-принтер MakerBot Mini был создан для применения в быту и общеобразовательных учреждениях

Такое применение технологии позволяет добиться существенной экономии при разработке новых дизайнов. Компания Microsoft использовала 3D-печать для создания порядка двухсот прототипов контроллера для приставки Xbox One, а компания Dell разместила заказ на пять тысяч FDM принтеров M200 производства польской компании Zortrax для использования в филиалах по всему миру.

Хотя производительность FDM 3D-печати достаточно низка, относительная дешевизна позволяет применять FDM принтеры для производства небольших партий готовых изделий – сувениров, игрушек и т.п.

Совершенствование технологии и существенное снижение стоимости устройств позволяет FDM принтерам постепенно внедряться в быт. Выгода от домашнего использования 3D-печати очевидна – даже достаточно простые устройства способны производить бытовые приспособления или сломанные пластиковые детали по мере необходимости. Себестоимость домашнего производства уже делает подобное применение выгодным в сравнении с приобретением готовых изделий. Единственным существенным препятствием на пути к широкому распространению 3D-принтеров в быту можно считать нежелание большинства людей вдаваться в подробности трехмерного цифрового дизайна. Этот барьер постепенно нивелируется за счет таких популярных сервисов, как Thingiverse, Shapeways и Cubify, предлагающих различные готовые к печати 3D-дизайны. Многие из доступных цифровых моделей предоставляются бесплатно.

3D-печатный пистолет Liberator поставил под сомнение способность государственных органов регулировать оборот огнестрельного оружия

Немало шума наделал пистолет Liberator. Дизайн этого оружия включает в себя один единственный металлический элемент – боек, в качестве которого может использоваться обычный гвоздь. Все остальные элементы конструкции могут быть распечатаны. Дизайн пистолета был выложен в открытый доступ.

Наконец, развитие FDM 3D-печати позволяет развивать целую отрасль 3D-дизайна и печати на заказ. 3D-бутики уже становятся привычным явлением во многих странах. Дальнейшее распространение технологии FDM печати может привести к реструктуризации мировой экономики: по мере роста домашнего производства спрос на готовые изделия будет падать параллельно с ростом спроса на расходные материалы. Химическим производителям, торговым сетям и транспортным компаниям придется подстраиваться под новую бизнес- модель, основанную на локальном производстве.

3D-ручка


  • 1 Описание
  • 2 История
  • 3 Конструкция
  • 4 Материалы
  • 5 Применение
  • 6 Развитие
  • 7 Интересные посты в блогах 3Dtoday про использование 3D-ручек:



Описание

FDM печать стала логическим развитием станков с числовым программным управлением. Единственным принципиальным отличием стало использование специализированной насадки (экструдера) для плавки и подачи пластика. По той же логике получили развитие и термоклеевые пистолеты, широко распространенные в быту. Использование термопластиков вместо термопластичного клея позволяет использовать подобные устройства, получившие названия 3D-ручек, в качестве ручных устройств аддитивного производства.

Части будущей модели можно прорисовать по шаблонам на бумаге и склеить вместе

История

Одна из новейших разработок – 3D-ручка Dim3W

Первенцем нового направления развития 3D-печати стала ручка 3Doodler от компании Wobbleworks.

Команда обратилась к площадке Kickstarter для сбора средств, необходимых для воплощения проекта в жизнь.

Поставив целью собрать $30 000, компания Wobbleworks сумела поднять более двух миллионов долларов к моменту окончания кампании, что говорит о высоком интересе публики.

На фоне успеха 3Doodler прокатилась конкурентная волна. На данный момент ассортимент 3D-ручек включает в себя фактические клоны 3Doodler – такие, как 3DYAYA или SwissPen, а также более оригинальные разработки, включая Dim3W и LIX.

Основной принцип работы всех этих устройств одинаков, но имеются и некоторые конструктивные особенности, направленные на совершенствование достаточно молодой концепции.

Конструкция

В сущности, 3D-ручка есть не что иное, как ручной экструдер. В роли ЧПУ станка выступает сам пользователь.

Разборка 3D-ручки 3Doodler. Хорошо видны сопло в нижней части и протягивающий механизм в середине ручки

Основные элементы 3D-ручки: сопло, механизм подачи пластиковой нити, нагревательный элемент, вентилятор для охлаждения верхней части сопла и ручки в целом, микроконтроллер для управления работой вентилятора, механизма подачи и нагревательного элемента.

Так как практически все программные функции 3D-принтеров выполняет сам пользователь, 3D-ручки не требуют соединения с компьютером или создания цифровых моделей. Требуется лишь электропитание – как правило, используются обычные блоки питания с преобразователем напряжения 12В.

Как и в FDM-принтерах, нагрев сопла занимает несколько минут, после чего ручка готова к печати. Подача материала осуществляется при нажатии соответствующей кнопки. Некоторые модели, например Dim3W, оснащаются регулятором скорости печати.

Также возможно наличие реверса протягивающего механизма. Эта функция позволяет быстро извлекать пластиковую нить из ручки и заменять ее материалом другого цвета.

Материалы

3Doodler в комплекте с упаковками разноцветного ABS-пластика

На данный момент в качестве материалов для 3D-ручек используются два самых популярных пластика в FDM 3D-печати – ABS-пластик и органический, биоразлагаемый полилактид (PLA-пластик). Теоретически, возможно применение и других материалов – поликарбоната, нейлона и т.д. В то же время, существующие модели не дают возможности точной регулировки температуры сопла, важной при переходе на другие материалы. Температурные характеристики заложены в прошивке. В будущем можно ожидать большего разнообразия ассортимента материалов и возможность точной настройки температуры, если будет соответствующий спрос.

Как и полноценные FDM принтеры, 3D-ручки используют термопластиковые нити диаметром 1,75 или 3мм. Для удобства работы с ручкой, нити, как правило, поставляются в виде обрезков, а не катушек, но в конечном итоге все зависит от выбора пользователя.

Применение

Подобные пустоты, образующиеся при расслоении пластика из-за неравномерного охлаждения, можно заполнить с помощью 3D-ручки

3D ручки позиционируются, как средство для творческой работы, трехмерного рисования. Хотя устройства действительно могут выполнять такую роль, создание более-менее приличных на вид моделей требует серьезной сноровки.

Однако изначально 3D-ручки задумывались совсем для другой цели, аналогичной с целью своих прародителей – термоклеевых пистолетов. Речь идет о ремонте. Дело в том, что некоторые виды пластиков, используемых в FDM 3D-печати (например, весьма популярный ABS-пластик), имеют высокую степень усадки и склонность к деформациям при неравномерном охлаждении. Все это зачастую приводит к растрескиванию изготовляемых моделей. 3D-ручки должны были стать инструментом для ручного ремонта напечатанных моделей. Эти устройства позволяют заполнять пропущенные слои или разломы.

Особенно хороших результатов можно добиться при аккуратной обработке трещин ацетоном, растворяющим ABS-пластик. Размягченная таким образом поверхность будет хорошо схватываться со свеженанесенным с помощью 3D-ручки пластиком.

3D-ручки позволяют рисовать по воздуху вместо бумаги

Поверхность отремонтированного участка можно выровнять за счет шлифовки и аккуратной обработки тем же ацетоном. Аналогичным образом можно подвергнуть ремонту и бытовые изделия – многие из них выполняются из того же ABS-пластика, получившего широкое распространение в промышленности.

Что же касается применения в художественных целях, 3D-ручки придутся по душе тем, кто любит рисовать и желает перейти с двухмерных зарисовок к трехмерным физическим моделям.

Основная сложность заключается в чисто человеческих ограничениях – любое нежелательное движение руки отразится на качестве исполнения модели, особенно при рисовании модели «в воздухе».

Одним интересным способом повышения качества стало деление моделей на составные части с использованием зарисовок на бумаге в качестве шаблонов. Готовые же детали просто склеиваются вместе.

BioPen позволяет хирургам «закрашивать» поврежденные участки костной или хрящевой ткани, способствуя ее восстановлению

Таким методом вполне можно выполнить неплохую репродукцию Эйфелевой башни.

Само собой, метод применим лишь при создании частей моделей с относительно плоскими поверхностями.

Весьма многообещающей является возможность применения разновидности 3D-ручек в медицине.

Такие устройства, называемые «биоручками» (BioPen) испытываются в качестве инструментов для нанесения слоев живых клеток, смешанных с биополимерами, выполняющими роль поддерживающих матриксов и содержащих необходимые питательные вещества.

Оригинальная 3D-ручка BioPen была разработана австралийскими учеными из ASEC и предназначена для ремонта хрящевых и костных тканей.

При хирургическом вмешательстве PioPen позволяет врачам «закрашивать» поврежденные участке костной или хрящевой ткани, стимулируя восстановительный процесс.

Развитие

CreoPop - следующий шаг в развитии 3D-ручек

Вслед за технологией FDM, адаптации для «ручного» применения подверглась и фотополимерная 3D-печать. Проект CreoPop предлагает новаторский дизайн 3D-ручки, основанный на экструзии жидкой фотополимерной смолы, затвердевающий на выходе под воздействием ультрафиолетового излучателя. В отличие от FDM ручек, такое устройство не представляет угрозы ожогов – в конструкции нет никаких горячих элементов. Кроме того, фотополимерные смолы известны широким выбором физических свойств – здесь и твердые материалы, и резиноподобные, и даже магнитные. Стоимость таких устройств будет достаточна невысокой, на уровне FDM 3D-ручек, но стоимость расходных материалов сделает этот метод 3D-рисования несколько более дорогостоящим.

3D Печати

3D-принтер

3D-принтер - это устройство, которое позволяет создавать самые настоящие объекты, причем из самых разных материалов. Крючок для полотенца, компрессор для газовой турбины, чехол для смартфона – все это можно напечатать.

Из чего состоит 3D-принтер


3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6).

Чем печатает 3D-принтер


Расходные материалы (филаменты) для 3D-принтеров представляют из себя пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов и свойств. О всех типах материалов можно почитать в энциклопедии 3Dtoday.

Килограмм самого дешевого пластика можно купить за какие-то 500 руб., хотя более интересные варианты (например, имитаторы древесины или песчаника с наполнителями из настоящей древесины или камня) уже могут обойтись в несколько раз дороже.

Как работает 3D-принтер


Нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2), в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер (2), который перемещается по направляющим (3)  и наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге ваше изделие (5) растёт слой за слоем.

Как запрограммировать 3D-принтер на печать


Для начала работы (печати) на 3D-принтере, будущий предмет необходимо нарисовать, причем во всех трех измерениях. Делается это с помощью специальных программ, называемых CAD-редакторами или САПР («Системами автоматизированного проектирования»). При этом рисовать модели самому совершенно необязательно – готовые варианты всевозможных крючков, чехлов или даже квадрокоптеров можно просто скачать с различных интернет-сайтов. В крайнем случае, если душа к проектированию не лежит, а необходимой модели в интернете нет, всегда можно заказать ее у профессионалов. 

Когда дело доходит до 3D-печати, такие модели подвергаются «слайсингу», то есть разбиваются на отдельные слои с помощью специальных программ, так и называемых – слайсеры. Представьте, что вы хотите напечатать вазу: первым делом вазу необходимо условно нарезать на тонкие-тонкие слои, а каждый из них опять-таки условно сфотографировать. Стопку полученных снимков можно передать принтеру, и он сделает копию каждой картинки, одну поверх другой, пока слой за слоем не воссоздаст оригинальную вазу. Вот только «рисуют» принтеры по-разному и разными материалами.

Слайсер формирует специальную программу для 3D-принтера. В этой программе принтеру рассказывается, как нужно печатать модель - куда двигаться экструдеру, с какой скоростью выдавливать пластик, какая толщина слоев будет у модели и др параметры. Вся программа для принтера сохраняется в файл под названием g-code. Дальше через флеш карту или USB провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать.
Пруток подается в печатающую головку, где плавится и выдавливается через тонкое сопло. Головка передвигается в двух плоскостях, вырисовывая нитью целый слой – один из срезов того самого «яблока». Закончив один слой, принтер приподнимает головку или опускает платформу, а затем начинает печатать новый слой поверх только что нанесенного. Так, слой за слоем, срез за срезом, выращивается копия оригинального предмета. 

Теперь должно быть понятным происхождение термина «аддитивные технологии». Большинство цифровых производственных методов основываются на удалении лишнего материала. Например, то же самое яблоко можно выточить, высверлить и выпилить из болванки. Такие технологии называются субтрактивными (от англ. «subtract» – «отнимать»). В 3D-печати все с точностью до наоборот: объект выстраивается крупинка за крупинкой, слой за слоем, с нуля. Отсюда и термин «аддитивный процесс» (от англ. «add» – «добавлять»). 

Как мы уже говорили, 3D-принтеров великое множество и устроены они по-разному. Особо сложные промышленные машины, спекающие слои из мелких металлических порошков с помощью высокоточных лазеров, могут стоить сотни тысяч долларов. А вот настольные варианты, печатающие пластиковой нитью, вполне по карману обычному любителю: приличный конструктор вполне можно найти за 20 000 руб. даже в текущий кризисный период, а полностью собранные, отлаженные машины с массой дополнительных функций вроде подогрева рабочей камеры, сенсорного дисплея и автоматической калибровки редко стоят более 200 000 руб. Такие принтеры используют технологию FDM (Fused Deposition Modeling) или «Моделирование послойным наплавлением»

Насколько функциональны печатаемые изделия?


Скажем так: все зависит от качества процесса и используемого пластика. На домашнем 3D-принтере вполне реально печатать рабочие шестеренки для самодельных роботов или пластиковые корпуса для электронных гаджетов. Матерым инженерам-любителям даже доступны прочные пластиковые композиты с углеволоконными добавками. Само собой, сувениры, игрушки или новая ручка для сковородки не составят никаких проблем. Самое же замечательное то, что у вас появиться возможность создавать уникальные изделия или ремонтировать вещи, давно снятые с производства. Себестоимость одной детали, как правило, будет выше, чем у ширпотреба, но и здесь бывают исключения. Хотя бы те же защитные кожухи для смартфона: 50-граммовый 3D-печатный чехол из ABS-пластика хорошего качества обойдется примерно в 50 рублей, плюс небольшие затраты на электричество, а аналогичный кейс с витрины будет стоить в 5-10 раз дороже.

Производство настольных 3D-принтеров уже вовсю налажено в России, причем отечественные аналоги ничем не хуже западных вариантов, и это не пустые слова. Полного замещения комплектующих пока никому из отечественных производителей добиться не удалось, но готовые продукты дешевле западных конкурентов и не уступают им по характеристикам или качеству печати, а за сервисным обслуживанием не придется далеко бегать. Помимо FDM-принтеров существуют и машины, работающие с жидкими смолами, отверждаемыми светом, пластиковыми и металлическими порошками, спекаемыми лазерами, и даже устройства, изготавливающие высокоточные трехмерные модели из листов обычной бумаги, но это уже отдельная история.

ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ

Масочная стереолитография (SGC)

Технология SGC

Масочная стереолитография (SGC) – метод аддитивного производства, во многом схожий с технологией печати методом цифровой светодиодной проекции (DLP). Технология была разработана и внедрена на рынок израильской компанией Cubital Ltd в 1986 году. Компания Cubital закончила свое существование, но интеллектуальные права были сохранены компанией Objet Geometries Ltd, а в 2012 году перешли к корпорации Stratsasys в результате слияния двух компаний. В связи с этим, вариант технологии SGC, используемый на принтерах конкурирующей компании 3D Systems известен под названием Film Transfer Imaging или FTI. 

Процесс

FTI принтер 3D Systems V-Flash FTI 230

Технология основана на нанесении тонких слоев фотополимерной смолы с последующим облучением материала ультрафиолетовым светом. Облучение происходит по физическому фотошаблону или «маске» соответствующего контура. Облучение приводит к полимеризации (затвердеванию) материала, после чего лишний материал удаляется из рабочей зоны, а полости заполняются легкоплавким воском. При необходимости производится механическая обработка поверхности, после чего производственный цикл повторяется. По завершении построения модели воск выплавляется, оставляя готовую модель, не требующую дополнительного облучения в ультрафиолетовой печи для полной полимеризации.

Материалы

Пример модели, распечатанной на принтере 3D Systems V-Flash FTI 230

В качестве расходных материалов используются фотополимерные смолы. Подбор подходящего материала может потребовать определенного внимания ввиду технологических особенностей производства – при необходимости механической обработки полимер должен обладать соответствующими характеристиками. Как правило, используются фотополимеры, напоминающие по прочности и вязкости ABS-пластик.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом SGC является отсутствие необходимости в построении поддерживающих структур, как в случае с такими стереолитографическими методами, как SLA или DLP. В дополнение к высокому разрешению по горизонтали, механическая обработка каждого наносимого слоя позволяет добиваться высокой точности по оси Z. Наконец, технология отличается достаточно высокой производительностью за счет одновременного облучения целых слоев. Среди недостатков следует отметить достаточно высокую шумность и большое количество отходов, повышающее себестоимость печати. Сами же установки достаточно дороги ввиду сложности конструкции. В последнее время метод SGC почти не используется, а его вариация FTI стала практически неотличима от цифровой светодиодной печати (DLP) ввиду внедрения цифровых проекторов.

Технология многоструйного моделирования (MJM)

Технология MJM

Технология много струйного моделирования (MJM) – фирменный метод аддитивного производства, запатентованный компанией 3D Systems. Технология используется в линейке профессиональных принтеров ProJet.

Процесс

Технология MJM позволяет осуществлять высокоточное прототипирование с высоким уровнем детализации

Технология много струйного моделирования сочетает черты таких методов 3D- печати, как струйная трехмерная печать (3DP), моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) и стереолитография (SLA). Построение слоев производится с помощью специальной печатной головки, оснащенной массивом сопел. Количество сопел в существующих моделях принтеров варьируется от 96 до 448.

Печать производится термопластиками, восками и фотополимерными смолами. В первых двух случаях материалы затвердевают за счет постепенного охлаждения. В случае печати фотополимерами, каждый нанесенный слой обрабатывается ультрафиолетовым излучателем для полимеризации (затвердевания).

MJM позволяет создавать опоры нависающих элементов моделей из относительно легкоплавкого воска. В случае использования вспомогательных восковых структур, по окончании печати готовая модель помещается в печь (встроенную или отдельную) и нагревается до температуры порядка 60°С для выплавки воска.

Технология позволяет добиваться исключительно высоких показателей точности, сравнимых с лазерной стереолитографией (SLA) – минимальная толщина наносимого слоя может составлять 16 микрон, а разрешение печати в горизонтальной плоскости достигает 750х750х1600 DPI.

Материалы

VisiJet Pearlstone - материал, применяемый для создания стоматологических мастер-моделей

Ранние модели MJM принтеров использовали обыденные термопластики. Развитие и совершенствование фотополимерных материалов привело к постепенной замене термопластиков фотополимерными смолами и восками.

Принтеры ProJet используют ассортимент материалов марки VisiJet, включающий в себя воски и фотополимерные смолы с различными механическими свойствами. Так, VisiJet DentCast используется в качестве отливочного воска в стоматологии, VisiJet X служит в качестве альтернативы популярному ABS-пластику, VisiJet Crystal применяется для создания высокоточных литейных мастер-моделей и т.д.

3D Systems ProJet 3500HDMax - один из наиболее совершенных 3D-принтеров для печати по технологии MJM

Применение

Технология MJM используется в различных отраслях, требующих создания высокоточных прототипов и готовых изделий. Среди областей применения можно назвать стоматологию, ювелирное дело, промышленный и архитектурный дизайн, разработку электронных компонентов и пр.
Примеры моделей, созданных по технологии MJM

Цветная струйная печать (CJP)

Технология CJP

Цветная струйная печать (CJP) – разновидность струйной трехмерной печати (3DP), фирменная технология компании 3D Systems.

Процесс

Профессиональный CJP принтер 3D Systems ProJet 660

Как и в случае с трехмерной струйной печатью (3DP), технология CJP подразумевает нанесение тонких слоев порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего полимера. Отличительной особенностью технологии является использование разноцветных связующих элементов, что позволяет создавать комплексные цветные 3D-модели. 

Неизрасходованные материалы не удаляются из рабочей камеры во время процесса, а служат в качестве опоры для последующих слоев, что позволяет создавать объекты высокой геометрической сложности. Тем не менее, по завершении цикла печати остаточный порошок может быть собран и использован заново.

Материалы

Цветные покрышки, созданные с помощью CJP принтера 3D Systems ProJet 660

В качестве расходных материалов используются пластики с разнообразными механическими свойствами, имитирующими резину, ударопрочные термопластики и другие материалы.

Например, CJP принтеры компании 3D Systems используют материалы VisiJet PXL с пропиткой материалом ColorBond (для упрочнения цветных моделей), StrengthMax (высокопрочная пропитка для функциональных моделей) или Salt Water Cure (экологичная пропитка, позволяющая повышать прочность поверхностных слоев).

Применение

В мультфильме ParaNorman использовались куклы, изготовленные с помощью цветной струйной печати (CJP)

Технология цветной струйной печати (CJP) применяется в основном для прототипирования изделий сложной геометрической формы и цветовой гаммы, а также для производства мелкосерийных партий готовых изделий.

Метод применяется в медицине, промышленном дизайне, образовании, архитектурном дизайне и даже в кукольной мультипликации.

Ввиду относительно высокой стоимости CJP принтеров, данная технология пока не получила широкого бытового распространения и используется в основном в профессиональной среде. В то же время, технология CJP гораздо более доступна, чем использование таких высокоточных методов быстрого прототипирования, как выборочное лазерное спекание (SLS), и более универсальна в отношении создания цветных моделей, чем лазерная стереолитография (SLA).

Цифровая светодиодная проекция (DLP)

Технология DLP

Цифровая светодиодная проекция (DLP) – метод аддитивного производства, вариант стереолитографической 3D-печати.

Технология


Одним из наиболее популярных методов аддитивного производства высокоточных прототипов является лазерная стереолитография (SLA). Метод основан на использовании фотополимерных смол, затвердевающих при облучении ультрафиолетовым светом. В то время как технология SLA находит широкое применение в профессиональной среде, ее распространение ограничивается достаточно высокой стоимостью устройств, обусловленной применением дорогостоящих лазерных излучателей.

Альтернативный метод использует цифровые светодиодные проекторы (DLP), позволяя снижать себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели. 

О преимуществах того или иного метода сложно судить. DLP-печать появилась совсем недавно, но уже демонстрирует прекрасные результаты, сопоставимые по точности и производительности с оригинальной технологией лазерной стереолитографии (SLA), запатентованной Чарльзом Халлом в 1986 году и давшей первый существенный толчок развитию 3D-печати. Основным преимуществом DLP над SLA может стать более низкая стоимость используемых проекторов по сравнению с лазерными излучателями.

Применение


С момента появления, DLP-принтеры составляют прямую конкуренцию устройствам, работающим по технологии SLA. DLP-принтеры применяются в стоматологии, ювелирной промышленности, свободном дизайне и в производстве сувениров.

Преимущества и недостатки


Как и стандартные стереолитографические устройства, DLP-принтеры имеют высокие показатели точности печати – минимальная толщина слоя может достигать 15 микрон с использованием существующих установок. Минимальная толщина слоя, наносимого более доступными FDM- принтерами, как правило, составляет не менее 50 микрон. Практически же, разрешение находится в обратной зависимости от скорости наслоения – технология позволяет достигать и более высоких показателей точности ценой снижения скорости печати. Расходные материалы, а именно фотополимерные смолы, имеют высокий диапазон механических характеристик: возможны имитаторы в диапазоне от твердых пластиков до резины. Как правило, печать осуществляется материалом одного цвета, но ограничений палитры не существует. Основным недостатком метода DLP, как и SLA, является относительно высокая стоимость расходных материалов – порядка $80-160 за один литр жидкого полимера. Для сравнения, килограмм пластиковой нити для FDM печати можно приобрести за $35. В итоге, пользователь должен найти правильный баланс между качеством и себестоимостью печати.


  • Струйная трехмерная печать (3DP)
  • Технология 3DP

    Струйная трехмерная печать (3DP) – один из старейших методов аддитивного производства. Эта технология была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 1993 году. Технология получила коммерческое распространение в 1995 году с помощью компании Z Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 году.

    Технология

    Как и другие технологии аддитивного производства, струйная трехмерная печать подразумевает послойное построение физических объектов на основе цифровой трехмерной модели. В качестве расходных материалов используются всевозможные порошки, наносимые последовательными тонкими слоями. Контуры модели вычерчиваются печатной головкой, наносящей связующий материал. Таким образом, частицы каждого нового слоя склеиваются между собой и с предыдущими слоями до образования готовой трехмерной модели.

    Материалы

    3DP принтер ExOne M-Flex, печатающий пластиками, песчаными смесями и металлическими порошками
  • Оригинальные устройства использовали в качестве расходного материала гипс, что обуславливает обиходное название технологии – «гипсовая трехмерная печать». Печатные головки экструдировали воду, склеивающую материал. Со временем технология прогрессировала и теперь включает возможность добавки различных агентов: красителей, уплотнителей и пр.

    В настоящее время помимо гипса используются самые разные материалы, включая пластики, песчаные смеси и даже металлы. Технология способна создавать трехмерные модели из любого порошкового материала, а добавление красителей в связующий материал позволяет осуществлять цветную печать.

    Практичность же моделей зависит от последующей обработки. Например, изделия созданные из металлического порошка будут обладать видом, схожим с необработанными металлическими изделиями. С другой стороны, их прочность будет напрямую зависеть от связующего материала и, как правило, будет невысока. Для улучшения механических свойств можно прибегнуть к обжигу с помощью гончарных печей. Во избежание деформации моделей обжиг, как правило, подразумевает не спекание, а выплавку изначального связующего материала с пропиткой более твердой субстанцией. Например, возможна выплавка или выжигание связующих пластиков с одновременной пропиткой стальной модели медью или бронзой.

    Готовые изделия будут обладать высокой долговечностью, но их механические характеристики все равно не будут достаточными для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов. Как правило, модели, изготовленные по технологии 3DP, используются в качестве сувениров, украшений или макетов – любых моделей высокой геометрической сложности, не подверженных высоким механическим нагрузкам.

    Преимущества



    Наряду с высокой универсальностью в плане используемых материалов, метод 3DP отличается отсутствием необходимости печати опорных структур. Такие популярные методы, как FDM или SLA требуют постройки дополнительных элементов, называемых «опорами» или «поддержками» для стабилизации навесных элементов печатаемых моделей. В противном случае существует реальная возможность провисания слоев и деформации моделей, а в крайних случаях печать вообще невозможна ввиду отсутствия необходимой опорной поверхности. В случае с 3DP необходимость создания опорных структур отпадает, так как каждый слой порошка служит естественной опорой для следующего слоя. Стоить отметить и экономичность технологии: остаточный порошок может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован в следующем производственном цикле.

    Применение

    Технология 3DP пользуется широкой популярностью и применяется в самых различных отраслях, зачастую теряя свое оригинальное обозначение. Так, в сфере биопечати используется вариант технологии, известный как «капельная/струйная печать» или DOD (Drop on Demand). Этот метод применяется для послойного нанесения живых клеток с целью построения органических тканей.

    Одним из наиболее ярких методов применения 3DP стало создание кондитерских принтеров ChefJet, строящих трехмерные съедобные модели из сахаросодержащих продуктов, склеивая частицы материала водой, наподобие оригинальных «гипсовых» принтеров. 

    Выборочное лазерное спекание (SLS)

    Технология SLS

    SLS прототипирование позволяет исследовать       аэродинамические характеристики гоночных автомобилей

Выборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий. Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. SLS зачастую ошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазерной плавкой (SLM).. Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время как выборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую для построения монолитных моделей.

История

Принцип работы SLS принтеров

Технология выборочного лазерного спекания (SLS) была разработана Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Университета Техаса в Остине в середине 1980-х. Исследования финансировались Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA). Впоследствии, Декард и Биман были вовлечены в компанию DTM, образованную для продвижения технологии SLS на рынок. В 2001 году DTM была выкуплена конкурирующей компанией 3D Systems. Последний из патентов по технологии SLS был заявлен 28 января 1997 года. Его срок действия истек 28 января 2014 года, что делает технологию общедоступной. 
Аналогичный метод был запатентован Р. Ф. Хаусхолдером в 1979 году, но не получил коммерческого распространения. 

Технология

Технология (SLS) подразумевает использование одного или нескольких лазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трехмерного физического объекта. В качестве расходных материалов используются пластики, металлы (см. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), керамика или стекло. Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (т.н. «сканирования») с помощью одного или нескольких лазеров. По завершении сканирования рабочая платформа опускается, и наносится новый слой материала. Процесс повторяется до образования полной модели.

Специфика технологии позволяет создавать детали практически неограниченной сложности из различных материалов

Так как плотность изделия зависит не от продолжительности облучения, а от максимальной энергии лазера, в основном используются пульсирующие излучатели. Перед началом печати расходный материал подогревается до температуры чуть ниже точки плавления, чтобы облегчить процесс спекания. 

В отличие от таких методов аддитивного производства, как Стереолитография (SLA) или моделирования методом послойного наплавления (FDM), SLS не требует построения опорных структур. Навесные части модели поддерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяет добиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемых моделей.

Материалы и применение

Компания New Balance использует технологию SLS при создании обуви для профессиональных атлетов

Некоторые SLS устройства используют однородный порошок (см. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), производимый с помощью барабанно-шаровых мельниц, но в большинстве случаев используются композитные гранулы с тугоплавким ядром и оболочкой из материала с пониженной температурой плавления.

В сравнении с другими методами аддитивного производства, SLS отличается высокой универсальностью в плане выбора расходных материалов. Сюда входят различные полимеры (например, нейлон или полистирол), металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, кобальт-хромовые сплавы и др.), а также композиты и песчаные смеси.

Технология SLS получила широкое распространение по всему миру благодаря способности производить функциональные детали сложной геометрической формы. Хотя изначально технология создавалась для быстрого прототипирования, в последнее время SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий. Достаточно неожиданным, но интересным применением SLS стало использование технологии в создании предметов искусства.

Выборочная лазерная плавка (SLM)

Технология SLM

Промышленная SLM установка EOSINT M 280

Выборочная лазерная плавка (SLM) – метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков.

Официальным термином для описания технологии является «лазерное спекание», хотя он несколько не соответствует действительности, так как расходные материалы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы. Альтернативно, процесс может называться прямым лазерным спеканием металлов (DMLS) в случае использования металлических порошков, а также LaserCUSING (фирменное название, бренд компании Concept Laser GmbH). Схожим методом является электронно-лучевая плавка (EBM), использующая электронные излучатели вместо лазеров. 

История

Разработка технологии SLM велась Вильгельмом Майнерсом и Конрадом Виссенбахом из Института лазерной техники (ILT) Общества Фраунгофера в Ахене совместно с Дитером Шварце и Маттиасом Фокеле из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH в Падерборне. В 2000 году компания F&S заключила коммерческое соглашение с MCP HEK GmbH (впоследствии переименованной в MTT Technology GmbH, а затем в SLM Solutions GmbH). На сегодняшний день Дитер Шварце сотрудничает с SLM Solutions GmbH, а Маттиас Фокеле основал конкурирующую компанию ReaLizer GmbH.

Процесс

Деталь для ракетного двигателя J2-Х, распечатанная специалистами NASA

Процесс печати начинается с разделения цифровой трехмерной модели на слои толщиной от 20 до 100 микрон. Готовый файл в стандартном формате STL используется в качестве чертежей для построения физической модели.

Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность – как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном). Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения. Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал.

Материалы

Типичные представители устройств семейства SLM имеют рабочие камеры размером порядка 250мм в одном измерении, хотя технологических ограничений на размер области построения нет. Наиболее популярными материалами являются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото и др.

Применение

Технология SLM позволяет создавать полые металлические структуры высокой геометрической сложности

Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в одном объекте полезна при создании имплантатов – например, ацетабулярных чашек или других ортопедических имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции (сращиванию с костной тканью). Кроме того, SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется. Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством. 

В ходе испытаний NASA было установлено, что детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные из никелевых сплавов методом SLM, несколько уступают по плотности материала аналогам, изготовленным литьем с последующей сваркой компонентов. С другой стороны, отсутствие сварочных швов благоприятно влияет на прочность изделий. 

Стереолитография (SLA)

Технология SLA

Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии. 

История

Термин «стереолитография» был придуман в 1986 Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твердых физических объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Патент Халла описывал применение ультрафиолетового лазера, проецируемого на поверхность емкости, заполненной жидким фотополимером. Облучение лазером ведет к затвердеванию материала в точках соприкосновения с лучом, что позволяет вычерчивать контуры заданной модели слой за слоем. В 1986 году Халл основал собственную компанию, 3D Systems, для коммерческого продвижения новой технологии. На сегодняшний день 3D Systems является одним из мировых лидеров среди компаний-разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства.

Технология

Метод основан на облучении жидкой фотополимерной смолы лазером для создания твердых физических моделей. Построение модели производится слой за слоем. Каждый слой вычерчивается лазером согласно данным, заложенным в трехмерной цифровой модели. Облучение лазером приводит к полимеризации (т.е. затвердеванию) материала в точках соприкосновения с лучом. 

Стереолитография позволяет создавать модели высокого разрешения

По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак с жидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от 0,05мм до 0,15мм. После выравнивания поверхности жидкого материала начинается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построения полной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке в ультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.

Стереолитография требует использования поддерживающих структур для построения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). Опоры предусматриваются в файле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления. 

Преимущества и недостатки

Настольный стереолитографический принтер OWL Nano

Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении. В то же время существуют промышленные установки, способные печатать крупногабаритные модели, где изделия измеряются уже в метрах. Готовые изделия могут обладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов. 

Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходных материалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, в то время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000. Высокая популярность технологии способствует разработке более доступных моделей, таких как FORM 1 от компании Formlabs или Pegasus Touch от FSL3D с заявленной стоимостью в $2 400 и $3 500 соответственно.

Выборочное тепловое спекание (SHS)

Выборочное тепловое спекание (SHS) – метод аддитивного производства. Технология основана на плавке слоев термопластического или металлического порошка с помощью теплового излучателя.

Модели, распечатанные методом SHS

По окончании формирования слоя рабочая платформа передвигается вниз на дистанцию, соответствующую толщине одного слоя, после чего новый слой порошка наносится с помощью автоматизированного ролика, а затем проводится спекание нового слоя по контурам, заданным цифровой трехмерной моделью.

Лучше всего технология SHS подходит для производства недорогих функциональных прототипов. 

Относительно невысокие энергетические затраты позволяют создавать настольные SHS принтеры - такие, как Blueprinter

Выборочное тепловое спекание (SHS) схоже с выборочным лазерным спеканием (SLS) – единственное существенное различие заключается в использовании тепловой печатающей головки вместо лазерной.

Такое решение позволяет снизить стоимость и габариты устройств, вплоть до возможности создания настольных принтеров.

С другой стороны, энергетическая отдача SHS принтеров мала по сравнению с SLS устройствами, что ограничивает выбор материалов.

Как правило, в качестве расходных материалов используются пластики или достаточно легкоплавкие металлы.

В последнем случае модели зачастую требуют дополнительного обжига для повышения прочности. 

Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)

Технология LOM

Бумажный макет, созданный с использованием технологии SDL компании Mcor Technologies

Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) – технология быстрого прототипирования, разработанная компанией Helisys Inc. Метод 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.

Компания Mcor Technologies использует вариант технологии, получивший название «Выборочное ламинирование» или SDL. Этот метод предусматривает нанесения клея только в местах, входящих в состав расчетной модели, что облегчает процесс удаления лишнего материала. В отличие от стандартной технологии на основе лазерной резки, SDL использует механическую резку с помощью лезвия из карбида вольфрама. Это позволяет несколько снизить стоимость устройств.

Процесс

3D-принтер Mcor Matrix Plus

Процесс печати протекает следующим образом:

Лист материала с клейким покрытием наносится на рабочую платформу (или нижние слои модели) с помощью разогретого ролика.

Контур слоя вычерчивается с помощью лазера.

Лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры удаления.

Платформа с готовым слоем передвигается вниз.

В рабочую камеру подается новый лист материала.

Платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом.

Цикл повторяется до завершения постройки модели, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия (сверление, шлифовка и пр.)

Особенности:

Низкая себестоимость благодаря общедоступности расходных материалов.

Бумажные модели приближаются по физическим характеристикам к древесине, что позволяет проводить соответствующую механическую обработку. Разрешение печати несколько уступает таким высокоточным методам, как стереолитография (SLA) или выборочное лазерное спекание (SLS)

Технология допускает производство достаточно крупногабаритных моделей.

Электронно-лучевая плавка (EBM)

Технология EBM

Электронно-лучевая плавка используется для производства титановых имплантатов

Электронно-лучевая плавка («Electron Beam Melting» или EBM) – метод аддитивного производства металлических изделий. Данная технология зачастую классифицируется как метод быстрого производства. Электронно-лучевая плавка (EBM) схожа с выборочной лазерной плавкой (SLM) – главное отличие заключается в использовании электронных излучателей (т.н. электронных пушек) вместо лазеров в качестве источников энергии для плавки. В основе технологии лежит использование электронных пучков высокой мощности для сплавки металлического порошка в вакуумной камере с образованием последовательных слоев, повторяющих контуры цифровой модели. В отличие от технологий спекания, электронно-лучевая плавка позволяет создавать детали особо высокой плотности и прочности.

Технология

Промышленная EBM установка производства шведской компании Arcam AB

Этот метод производства деталей произвольных форм позволяет создавать металлические модели высокой плотности из металлического порошка. Готовые изделия практически не отличаются от литых деталей по механическим свойствам. Устройство считывает данные с файла, содержащего трехмерную цифровую модель, и наносит последовательные слои порошкового материала. Контуры слоев модели вычерчиваются электронным пучком, плавящим порошок в местах соприкосновения. Плавка производится в вакуумных рабочих камерах, что позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации – например, с чистым титаном.

Расходные материалы состоят из чистого металлического порошка без связующего наполнителя, а готовые модели не отличаются пористостью. Таким образом, не требуется обжигание напечатанной модели для достижения необходимой механической прочности. Этот аспект позволяет классифицировать EBM в одном ряду с выборочной лазерной плавкой (SLM) и отдельно от технологий выборочного лазерного спекания (SLS) и прямого лазерного спекания металлов (DMLS), зачастую требующих обжига после печати для достижения максимальных прочностных характеристик. В сравнении с SLS, SLM и DMLS, EBM обладает более высокой скоростью построения за счет более высокой мощности излучателей и электронного, а не электромеханического, отклонения пучков.

Электронно-лучевая плавка проводится при повышенных фоновых температурах, достигающих порядка 700-1000°C, что позволяет создавать детали, не страдающие от остаточного механического напряжения, вызываемого градиентом температур между уже охлажденными и еще горячими слоями. Кроме того, полная плавка расходного порошка позволяет производить монолитные изделия – отсюда максимальная прочность и отсутствие необходимости обжига. 

Технология была разработана и впервые применена шведской компанией Arcam AB.

Применение

Черепно-лицевой имплантат, изготовленный с помощью технологии EBM

Использование в качестве расходных материалов титановых сплавов позволяет применять технологию EBM для производства медицинских имплантатов. 

Начиная с 2007 года две европейские компании, Adler Ortho и Lima Corporate, а также американская компания Exactech используют технологию EBM для производства ацетабулярных чашек (имплантатов тазобедренного сустава).

Технология получила применение в аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin и NASA используют EBM для производства деталей реактивных и ракетных двигателей, а также несущих элементов конструкции летательных аппаратов. 

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Технология DMLS

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) – технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания («Selective Laser Sintering» или SLS) и выборочной лазерной плавки («Selective Laser Melting» или SLM).

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. Готовый «построечный» файл используется как набор чертежей во время печати. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Как вариант, возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров. 

DMLS позволяет создавать цельные металлические детали сложной геометрической формы

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF, составляет порядка 100 микрон.

Другой интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для нависающих элементов конструкции. Неспеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность. Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново. DMLS производство можно считать фактически безотходным, что немаловажно при использовании дорогих материалов – например, драгоценных металлов.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Преимущества и недостатки

Технология DMLS обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами. Наиболее очевидным является возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки (т.н. «субтрактивных» методов – фрезеровки, сверления и пр.). Производство практически безотходно, что выгодно отличает DMLS от субтрактивных технологий. Технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры. Построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла. С другой стороны, детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

На данный момент установки DMLS применяются только в профессиональной среде из-за высокой стоимости

DMLS активно используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий. Так как DMLS не требует специальных инструментов (например, литейных форм) и не производит большого количества отходов (как в случае с субтрактивными методами), производство мелкосерийных партий с помощью этой технологии намного выгодней, чем за счет традиционных методов.

Применение

Технология DMLS применяется для производства готовых изделий малого и среднего размера в различных отраслях, включая аэрокосмическую, стоматологическую, медицинскую и др. Типичный размер области построения существующих установок составляет 250х250х250мм, хотя технологических ограничений на размер не существует – это лишь вопрос стоимости устройства. DMLS используется для быстрого прототипирования, снижая время разработки новых продуктов, а также в производстве, позволяя сокращать себестоимость мелких партий и упрощать сборку изделий сложной геометрической формы.

Фотографии деталей ракетного двигателя Super Draco, опубликованные основателем компании Space X Илоном Маском

Северо-западный политехнический университет Китая использует DMLS системы для производства элементов конструкции самолетов. Исследования, проведенные EADS, также указывают на снижение себестоимости и отходов при использовании технологии DMLS для производства сложных конструкций в единичных экземплярах или мелкими партиями.

5 сентября 2013 года Илон Маск опубликовал фотографии детали ракетного двигателя Super Draco, созданной из никель-хромового жаропрочного сплава Inconel с помощью принтера EOS.

Материалы

В качестве расходных материалов могут использоваться практически любые металлы и сплавы в порошковой форме. На сегодняшний день успешно применяется нержавеющая сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан и прочие материалы.

Производство электронно-лучевой плавкой (EBFȝ)

Предназначение

Специалисты НАСА проводят испытания экспериментальной установки в условиях искусственной невесомости

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)



Laybrick для 3D-печати

Одним из достоинств FDM-печати является возможность создания композитов, имитирующих всевозможные материалы, включая древесину, металлы и камень. Laybrick – детище известного изобретателя Кая Парти, создателя популярного древесного композита Laywoo-D3. На этот раз Кай нацелился на создание имитатора песчаника.

Как и в случае с Laywoo-D3, материал весьма неприхотлив, не требуя высокой температуры экструзии или подогрева платформы. Усадка Laybrick также минимальна, позволяя избегать деформаций при охлаждении. В качестве наполнителя используется измельченный мел.

Изделия из Laybrick

Интересным качеством Laybrick является разница в текстуре при нагревании до разных температур. Температурный диапазон экструзии составляет 165°С-210°С. При низких температурах модели выходят достаточно гладкими, а по мере приближения к верхнему порогу становятся шершавыми, приобретая визуальное сходство с натуральным песчаником. Рекомендуется использование охлаждающих вентиляторов, особенно при печати в высокотемпературном режиме.

Само собой, высокое содержание полиэфиров, используемых в качестве основы, обуславливает более легкий вес материала по сравнению с натуральным аналогом и соответствующие физические и химические характеристики. Таким образом, материал следует использовать лишь в качестве визуального имитатора песчаника. Тем не менее, материал прекрасно подходит для изготовления сувениров или моделирования ландшафта и зданий в архитектурных макетах.

Готовые модели легко поддаются механической обработке и окраске.

Изделия из Laybrick устойчивы к температурам до 70°С.

Рекомендуется печать слоями толщиной от 100 до 400 микрон.

Материал нетоксичен и не представляет опасности для здоровья.

Laybrick достаточно долго застывает, поэтому после завершения печати необходимо выждать 2-3 часа перед тем, как снимать модель со столика. Время остывания зависит от температуры экструзии.

При обращении с расходным материалом следует проявлять осторожность ввиду высокой хрупкости нити.

Laybrick поставляется в виде мотков нити диаметром 1,75мм и 3мм.

NinjaFlex для 3D-печати

Оригинальный материал, разработанный компанией Fenner Drives специально для использования в FDM-печати. Материал представляет собой термопластичный эластомер с прекрасной гибкостью. NinjaFlex обладает эластичностью резины или силикона, но высокой прочностью на разрыв и износоустойчивостью. Твердость по Шору составляет около 80-85 по шкале «A» – на уровне с резиновыми прокладками для сантехники или автомобильными шинами.

NinjaFlex обладает высокой эластичностью

Печать NinjaFlex не представляет трудностей с деформацией при охлаждении: усадка материала невелика, а высокая пластичность позволяет избегать расслоения модели или закручивания слоев при неравномерном охлаждении. С другой стороны, та же пластичность может вызвать определенные проблемы с экструзией: если расстояние между протягивающим механизмом и хот-эндом слишком велико, нити может не хватить жесткости, чтобы протолкнуть расплавленный материал. Как результат, возможно сгибание и закручивание нити в экструдере.

Наиболее надежным решением этой проблемы является использование экструдеров с прямой подачей и небольшим диаметром валиков/шестерней ради минимального расстояния между приводом и хот-эндом. То есть, не рекомендуется использование «боуденовских» экструдеров, где проталкивающий механизм отделяется от «хот-энда» длинным гибким патрубком, или же мощных экструдеров с прямой подачей и большими шестернями – NinjaFlex не требует большой мощности механизма.

Перчатки из NinjaFlex

Среди готовых решений можно упомянуть FlexyStruder для принтеров LulzBot или аналогичное решение для принтеров Printrbot, состоящее из простой направляющей, легко интегрируемой в стандартный экструдер и печатаемой на самом принтере. 

Если до печати NinjaFlex использовались твердые термопластики (например, ABS), рекомендуется «промыть» хот-энд и сопло: просто прогоните достаточное количество NinjaFlex вхолостую, пока остатки предыдущего материала не будут полностью удалены. Это поможет предотвратить проблемы с экструзией и благоприятно повлияет на качество изготовляемой модели.

Рекомендуемая температура экструзии составляет 210°C -230°C с подогревом рабочей платформы до 35°C. Как правило, NinjaFlex легко схватывается с платформой и между слоями – проблем с удержанием первых слоев на месте или расслоением возникать не должно.

Предлагаем вашему вниманию демонстрационное видео.

Laywoo-D3 для 3D-печати

Описание

Специальный расходный материал, рассчитанный на имитацию древесины. Фактически, Laywoo-D3 содержит микроскопические частицы древесины, что и обуславливает уникальный внешний вид и некоторые физические характеристики готовых изделий. Объем натуральной древесины составляет около 40%.

Пример модели из Laywoo-D3. Изменение температуры экструзии в ходе печати позволяет имитировать годовые кольца

В качестве связующего материала используется термопластик наподобие полилактида (PLA). Как результат, материал легко поддается экструзии принтерами, оптимизированными для печати популярными PLA и ABS-пластиками.

Laywoo-D3 весьма неприхотлив, не требуя климатического контроля рабочей камеры или подогрева столика.

Температура экструзии варьируется от 185 °C до 230 °C. При этом экструзия при относительно низкой температуре дает результат светлых оттенков, а при высокой – темного цвета.

Таким образом, пользователи имеют возможность визуально имитировать годовые кольца за счет изменения температурного режима в ходе печати.

Laywoo-D3 доступен в виде нитей диаметром 1,75мм или 3мм

Материал прекрасно поддается механической обработке, позволяя сверлить и шлифовать готовые изделия. Кроме того, Laywoo-D3 может быть окрашен или лакирован. Интересный момент: так как для производства используются органические материалы, Laywoo-D3 не имеет характерного для ABS или нейлона «пластикового» запаха. Неокрашенные модели имеют запах натуральной древесины.

Также, использование органических элементов означает отсутствие вредных испарений при печати и нетоксичность готовых изделий, что позволяет печатать пищевую тару и игрушки.

Laywoo-D3 производится компанией немецкой компанией RepRap GmbH по спецификациям изобретателя материала, Кая Парти. Материал доступен в виде мотков нити диаметром 1,75мм или 3мм – стандартного размера для FDM-принтеров.