Тэг: 3D-оборудование

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.