Сегодня практически любой человек имеет возможность купить 3D принтеры. Это устройство, которое способно не только открыть широкие возможности для творчества, но и избавить от шаблонных решений. Возможности современных моделей 3Д-принтеров расширяются с каждым днём, открывая новые горизонты и сферы применения. Огромный выбор позволяет подобрать технику, которая будет отвечать разным параметрам, включая габариты, цену, стоимость эксплуатации и другие.

3D принтеры: как это работает?

В основе работы любого 3Д-принтера, независимо от технологии печати лежит «методика слоёв». Смысл её заключается в том, что трёхмерный объект разбивается на горизонтальные слои, то есть виртуально как бы разрезается на них. Выполняется это при помощи специального программного обеспечения (слайсера) при отправке смоделированного на компьютере трёхмерного объекта на печать. Затем в рабочей камере 3D-принтера последовательно воссоздаётся каждый слой объекта. Толщина слоя будет определять точность получаемого объекта. Чем меньше будет толщина слоя, тем более качественной, точной и детализированной будет 3Д-печать. А в основе каждой конкретной технологии лежит метод соединения слоёв:

• спаивание;
• наплавление;
• отверждение посредством лазерного или УФ-луча;
• склеивание и т.д.

Аддитивных технологий множество и каждая имеет принципиальные отличия, обладает достоинствами и недостатками.

Технологии 3D-печати

Технологий 3Д-печати существует очень много, причём ежегодно появляются новые или же модифицируются уже имеющиеся. Процесс совершенствования бесконечен. Самыми широко востребованными технологиями 3D-печати являются:

• FDM – послойное наплавление;
• Фотополимерная - SLA (стереолитография), PolyJet;
• SLS – селективное лазерное спекание;
• 3DP – 3Д принтинг;
• LOM - ламинирование.

Послойное наплавление пластиковой нити (FDM)

Наиболее доступная технология 3D-печати – это FDM. Суть её заключается в использовании пластиковых нитей, которые расплавляются до полужидкого состояния и выдавливаются через экструдер. Головка с экструдером перемещается над рабочей платформой, слой за слоем нанося расплавленный пластик, который застывая образует объект. Для прототипирования используются такие пластики, как: ABS, PLA, HIPS, Nylon и другие.

Достоинства: доступная цена на оборудование и расходники, простота и понятность технологии, возможность собрать FDM 3Д-принтер самостоятельно, RepRap – возможность воссоздания, то есть большинство деталей 3Д-принтера можно напечатать на нём.

Недостатки: низкая скорость печати, высокая степень слоистости изделий (низкое разрешение), сложная фиксация модели на рабочем столе, необходимость поддержек, термоусадка, много отходов, сложность выбора оптимальной температуры и условий.

Фотополимерная технология печати (SLA / DLP / PolyJet)

По данной технологии работает также достаточное количество 3д-принтеров. Суть её заключается в послойном отверждении полимерной смолы путём воздействия на неё ультрафиолета. При этом модель может выращиваться из ванны с фотополимером (SLA) или фотополимерная смола может послойно распыляться, как в модификации технологии – PolyJet.

Достоинства: высокая точность и детализация, высокая механическая прочность объектов, низкий процент отходов, простая постобработка, если она вообще требуется.

Недостатки: небольшой спектр материалов, высокая стоимость оборудования и расходников, невозможность цветной печати, использования разных материалов в ходе печати, низкая скорость печати.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Технология 3D-печати SLS – это метод выборочного лазерного спекания. В качестве расходного материала выступает порошок, который тонким слоем наносится и затем точечно послойно спекается при помощи лазерного луча. В данном случае может использоваться металл, пластик, стекло, керамика, воск и другие порошковые материалы. При этом нерасплавленный порошок будет выступать в качестве поддержек.

Достоинства: большой выбор разнообразных материалов, возможность создания объектов со сложной геометрией, сравнительно высокая скорость печати, возможность использования для мелкосерийного производства, отсутствие необходимости в поддержках.

Недостатки: необходимость мощного лазера и герметичной камеры с низким содержанием кислорода, необходимость постобработки, сравнительно небольшое разрешение (в сравнении с SLA), высокая стоимость.

Печать гипсополимером (CJP)

Для печати используется гипсовый композитный порошок, который послойно склеивается специальным жидким клеевым составом. Тонкий слой порошка наносится и разравнивается при помощи валика, а головка точечно наносит клей. Рабочая поверхность опускается, и процесс повторяется.

Достоинства: отсутствие необходимости в поддержках, порошок, который не был проклеен можно использовать ещё раз, возможность создания объектов со сложной геометрией, возможность полноцветной печати, высокое разрешение.

Недостатки: ограниченность материалов, необходимость постобработки, низкая прочность изделий, большой вес и габариты аппарата.

3D ламинирование(LOM)

В качестве расходного материала используются тонкие листы бумаги или пластика. Эти листы скрепляются при помощи клеевого состава и прессуются. А специальный нож или лазер предварительно раскраивает каждый лист. В конце лишние непроклеенные детали удаляются.

Достоинства: низкая стоимость и доступность расходного материала (чаще всего бумага), возможность полноцветной высокоточной печати, возможность печати габаритных моделей, нет необходимости в поддержках.

Недостатки: толщина слоя определяется толщиной листа, сложность удаления лишних материалов, и большое количество отходов, необходимость финишной обработки, ограниченный выбор материалов.

Какие бывают 3Д-принтеры?

В большей степени тип 3Д-принтера определяется технологией печати. Однако также различают:

• Персональные 3Д-принтеры – предназначены для домашнего использования. Как правило, это негабаритные модели, которые не отличаются широкой функциональностью и возможностями.
• Профессиональные 3Д-принтеры – это модели, предназначенные для профессиональной деятельности. Например, медицинские 3Д-принтеры, ювелирные, стоматологические, а также оборудование для архитектурных и дизайнерских бюро и т.п. Такая техника обладает широкими возможностями и чаще всего ориентирована на требования профессиональной сферы. Такое оборудование более дорогостоящее и точное.
• Промышленные 3Д-принтеры – это оборудование, которое используется в производстве. С их помощью можно организовать мелкосерийное производство или изготавливать эксклюзивные штучные изделия. Также можно использовать данное оборудование для создания мастер-моделей, тестируемых образцов и литьевых форм. Промышленные 3Д-принтеры чаще всего имеют внушительный вес и габариты, а также отличаются высокой стоимостью.

Сферы применения 3Д-принтеров

Использование 3Д принтеров фактически ничем не ограничивается. Они уже стали развивающей игрушкой для детей, учебным оборудованием в школах и институтах, помогают раскрыть творческий потенциал в дизайнерской сфере. При помощи 3Д-принтеров создаются архитектурные модели и прототипы деталей. На это раньше уходило очень много времени, теперь подготовительный этап перед презентацией сократился до считанных часов.

Незаменимыми 3Д-принтеры стали в стоматологической отрасли. С их помощью создаются уникальные и высокоточные капы, протезы, хирургические шаблоны, что вкупе позволяет повысить качество оказываемых услуг, минимизировать риски и нивелировать ошибки.

В медицине при помощи 3д-принтеров создают высокоточные копии органов, благодаря чему можно точно спланировать ход сложных операций. Оборудование для прототипирования используется в создании протезов.

Но и это далеко не все сферы использования аддитивных технологий. 3Д-принтеры применяются:

• в автомобилестроении
• в авиастроении и космической отрасли;
• в ювелирной сфере;
• для создания уникальной одежды и обуви;
• в протезировании;
• в дизайне;
• в мелкосерийном производстве;
• при изготовлении эксклюзивной сувенирной продукции и бижутерии;
• при оказании ремонтных услуг и тюнинге;
• в обучении и научных исследованиях;
• в археологии и музейном деле;
• в строительстве и т.д.

С 3Д-принтером любые шаблонные решения уходят на второй план.

Программное обеспечение для 3D принтеров

Любой 3D объект перед отправкой на печать должен быть смоделирован в специальном программном обеспечении. Создание любого объекта сводится к тому, чтобы смоделировать объект в виртуальном пространстве, «нарезать» его на слои и задать алгоритм его печати (G-code). Именно для последних двух задач используются слайсеры. Большинство слайсеров также оснащено понятным инструментарием для 3Д-моделирования.

Среди самого популярного и востребованного софта данного назначения следует отметить:

• Slic3r
• CraftWare
• 3D Slash
• Blender 3D
• 3DTin и другие

Каждая из этих программ обладает своим достоинствами, особенностями и функционалом. Выбор всегда остаётся за пользователем.

3DMALL: купить 3Д принтер легко!

Компания 3ДМОЛЛ реализует широкий ассортимент 3Д-принтеров персонального. Профессионального и промышленного назначения. Интернет-магазин и его команда стояли у истоков становления 3д-технологий в России. Поэтому и сегодня специалисты компании держат руку на пульсе, отслеживая все последние инновации в данной сфере и предлагая клиентам квалифицированную и компетентную помощь.

Еще несколько лет тому назад никому и в голову бы не пришло, что такое вообще может быть возможно: печатать дома различные предметы по их описанию. Сейчас это стало реальностью. И каждый человек, немного разбирающийся в компьютерной технике, может открыть свой бизнес с помощью 3d принтера (3d печать).
Согласно прогнозам, мировой рынок 3D-печати достигнет 6 миллиардов долларов к 2017, а к 2021 - 11 миллиардов.

Особенности

С помощью 3d принтера создают небольшие партии высококачественных пластмассовых товаров.

Преимущества качественного 3d принтера:

• высокая точность печати, с хорошим разрешением;
• дешевое сырье;
• может работать с двум видами пластика.

Недостатки:

• Невысокая производительность;
• Размеры деталей не больше 30 см.

Что может создать 3d принтер? Бизнес идеи:

3D копия человека как бизнес:

• . Перспективная и мало-конкурентная ниша. Для ее реализации понадобится дорогостоящий 3д принтер и 3д сканер (сканирует в полный рост человека).
• Аксессуары (чехлы для смартфонов, брелоки для ключей, шкатулки).
• Сувениры, копии зданий и людей, изготовленные по фотографиям (нужен 3d сканер).
• Бижутерия (пуговицы, заколки, обручи).
• Обувь.
• Игрушки, в том числе конструкторы.
• Разнообразные фигурки для настольных игр.
• Посуда.
• Фурнитура для мебели, элементы декора (рамки), детскую мебель.
• Запасные части (шестерни, втулки), в том числе и для принтера.
• Учебные стенды и инструменты для проведения лабораторных работ, макеты для студентов архитектурных ВУЗов.

Различные протезы и прочие ортопедические изделия.

• Элементы наружной рекламы.

Кондитерский пищевой 3D принтер:

Пример создания дорогих фигурок для настольной игры Warhammer:


Создание формы для печенья:

Можно продавать файлы готовых трехмерных изображений (моделей) для 3d принтера. Но для этого нужно научиться их создавать с помощью программ shapeways.com, 3dprintus.ru.

Разработанные вами модели можно распечатать на чужом принтере и продать.

Тем, кто разрабатывает новые модели обуви, посуды, других изделий намного легче усовершенствовать их, предварительно распечатав образец.

Применение 3d принтеров в строительстве только начинается. Но уже разработаны и продаются строительные 3d принтеры. Максимальная длина его строительной поверхности 11 м. Используемый материал – специализированная бетонная смесь. Цена такого принтера (изготовитель ЗАО «Сецавиа») – 2,5 млн. руб. Он позволяет печатать детали для строительства домов объемом 280 м 3 .

Этапы построения бизнеса

• Оформление юридического статуса: индивидуальное предпринимательство.
• Поиск помещения;
• Покупка принтера;
• Закупка сырья.

Разработка концепции

Решают, какие именно изделия выпускать. Чаще всего используют небольшие принтеры.

Проще будет создать интернет-магазин. Получив заказ, выполняют его и ждут следующих. В этом случае продается вся продукция.

Можно продавать изделия традиционным способом, или сдавать магазинам.
Биопринтер (биопринтинг):

Технология изготовления

3d принтер печатает трехмерные (объемные) предметы. Сырьем может быть пластик, воск, металл.

Фигура образуется в результате наращивания большого количества слоев.

Используются несколько технологий.

Струйная печать:

• Охлаждение материала.
• Ультрафиолетовая лампа делает пластик твердым.
• Порошок склеивается в фигуру.
• Использование густых керамических смесей.

Лазерная печать:

• Под воздействием лазера пластиковый или металлический порошок сплавляется.
• В процессе ламинирования склеивают определенного количества слоев.
• Стереолитография (жидкий полимер засвечивают до затвердевания).

Требования к помещению

Помещение для печати небольших изделий нужно 15 м 2 .

Оно должно соответствовать противопожарным требованиям.

Оборудование, инвентарь

Компьютер – 25 тыс. руб., 3d принтер – 75 тыс. руб. При его покупке нужно учитывать возможность приобретения запчастей.

Бабины с пластиковой нитью 10 шт. – от 16 тыс. руб. Они бывают из нефтепродуктов (АБС-пластик) или из кукурузы и сахарного тростника (ПЛА-пластик). Лучше выбирать принтер, который использует оба вида.

Всего 116 тыс. руб.

Диаметр печатающего средства:

• 250 мк – дешевый принтер, который быстро печатает;
• 100 мк – подходит для домашнего использования;
• 50 мк – очень качественная печать, не заметная для глаза человека.

Размеры изделий:

• До 12 см 3 – дешевый принтер;
• До 30 см 3 – принтер от 3 тыс. долл. Весом до 5 кг.

Отдельные маленькие детали можно склеить в одну большую.

Цвет печати зависит от количества головок. Чем их больше, тем разнообразнее расцветки детали. Но часто цвет изделия не влияет на ее качество. Поэтому не обязательно выбирать самые дорогие модели. Детали можно покрасить или производить из нитей разного цвета.

Реклама

Финансовая часть

Регистрация – 10 тыс. руб

Оборудование 100 тыс. руб.

Создание сайта – 10 тыс. руб.

Услуги специалиста по моделированию – 10 тыс. руб.

Мы уже рассказывали, что технологий 3D-печати очень много, и регулярно появляются либо новые, либо модификации уже известных, поэтому мы не будем пытаться объять необъятное и подробнее расскажем лишь о наиболее интересных и распространенных.

Начнем, конечно, со стереолитографии, которая исторически была самой первой.

Стереолитография (StereoLithography Apparatus, SLA)

Исходным продуктом является жидкий фотополимер, в который добавлен специальный реагент-отвердитель, и эта смесь напоминает всем известную эпоксидную смолу, только в обычном состоянии она остается жидкой, а полимеризуется и становится твердой под воздействием ультрафиолетового лазера.

Естественно, лазер не может сразу создать всю модель в толще полимера, и речь может идти только о последовательном построении тонкими слоями. Поэтому используется подвижная подложка с отверстиями, которая с помощью микролифта-элеватора погружается в фотополимер на толщину одного слоя, затем лазерный луч засвечивает области, подлежащие отверждению, подложка погружается еще на толщину одного слоя, вновь работает лазер, и так далее.

Не обходится и без существенных сложностей. Во-первых, требования к самому фотополимеру достаточно противоречивы: если он будет густым, то его легче полимеризовать, но сложнее обеспечить ровную поверхность после каждого шага погружения; приходится использовать специальную линейку, которая на каждом шаге проходит по поверхности жидкости и выравнивает ее. Большое количество отвердителя при фиксированной мощности лазера позволит уменьшить необходимое время воздействия, однако неизбежная фоновая засветка «портит» окружающий объем полимера и сокращает возможный срок его использования.

Во-вторых, полная полимеризация каждого слоя заняла бы немало времени, поэтому засветка производится до уровня, при котором слой приобретает лишь минимально необходимую прочность, а впоследствии готовую модель, предварительно промыв от остатков жидкого полимера, приходится облучать мощным источником в специальной камере, чтобы полимеризация достигла 100%.

Плюсы технологии понятны:

• можно получить очень высокое разрешение печати, т. е. достичь хорошей точности при изготовлении моделей, которая по вертикали зависит в основном от возможностей элеватора, погружающего платформу, и обычно составляет 100 мкм, а в лучших аппаратах и меньше, до 25–50 мкм; по горизонтали точность определяется фокусировкой лазерного луча, вполне реальным является диаметр «пятна» в 200 мкм; соответственно и качество поверхности даже без дополнительной обработки получается высоким;
• можно получать очень большие модели, размером до 150×75×55 см и весом до 150 кг;
• механическая прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100 °С;
• очень мало ограничений на сложность модели и наличие у нее мелких элементов;
• малое количество отходов;
• легкость финишной обработки, если таковая вообще потребуется.

• ограниченный выбор материалов для изготовления моделей;
• невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле;
• малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали;
• очень большие габариты и вес: так, один из SLA-аппаратов 3D Systems ProX 950 весит 2,4 тонны при размерах 2,2×1,6×2,26 м.

Хотя мы упомянули ограниченность спектра расходных материалов, но всё же выбор есть, и можно получать модели с разными свойствами: с повышенной термостойкостью, гибкие, с высокой стойкостью к абразивам. Правда, с цветами хуже: доступно очень ограниченное количество, включая белый, серый, а также полупрозрачный.

Но главный минус - высокая цена как самих принтеров (сотни тысяч долларов), так и расходных материалов (две-три тысячи долларов за 10-килограммовый картридж), поэтому сколь-нибудь массово SLA-аппараты не встречаются.

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Этот метод появился примерно в то же время, что и SLA, и даже имеет с ним много общего, только вместо жидкости используется порошок с диаметром частиц 50–100 мкм, тонкими равномерными слоями распределяемый в горизонтальной плоскости, а потом лазерный луч спекает участки, подлежащие отверждению на данном слое модели.

Исходные материалы могут быть самые разные: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошок наносится и разравнивается по поверхности рабочего стола специальным валиком, который при обратном проходе удаляет излишки порошка. Затем работает мощный лазер, спекающий частицы друг с другом и с предыдущим слоем, после чего стол опускается на величину, равную высоте одного слоя. Для снижения мощности лазера, необходимой для спекания, порошок в рабочей камере предварительно нагревается почти до температуры плавления, а сам лазер работает в импульсном режиме, поскольку для спекания важнее пиковая мощность, а не длительность воздействия.

Частицы могут расплавляться полностью или частично (по поверхности). Незапеченный порошок, остающийся вокруг отвердевших слоев, служит поддержкой при создании нависающих элементов модели, поэтому нет необходимости в формировании специальных поддерживающих структур. Но этот порошок по окончании процесса необходимо удалить как из камеры, особенно если следующая модель будет создаваться из другого материала, так и из полостей уже изготовленной модели, что можно сделать лишь после ее полного остывания.

Зачастую требуется финишная обработка - например, полировка, поскольку поверхность может получаться шероховатой или с видимой слоистостью. Кроме того, материал может использоваться не только чистый, но и в смеси с полимером или в виде частиц, покрытых полимером, остатки которого нужно удалить путем выжигания в специальной печи. Для металлов одновременно происходит заполнение возникающих пустот бронзой.

Поскольку речь идет о высоких температурах, необходимых для спекания, процесс происходит в азотной среде с малым содержанием кислорода. При работе с металлами это еще и предотвращает окисление.

Серийно выпускаемые установки SLS позволяют работать с достаточно большими объектами, до 55×55×75 см.

Габариты и вес самих установок, как и SLA, достаточно впечатляющие. Так, аппарат Formiga P100, изображенный на фото, при довольно скромных размерах изготавливаемых моделей (рабочая зона 20×25×33 см) имеет размеры 1,32×1,07×2,2 м при весе 600 кг, и это без учета таких опций, как установки для смешивания порошка и системы очистки-фильтрации. Причем работать P100 может только с пластиками (полиамид, полистирол).

Вариантами технологии являются:

1. Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) , которое используется для работы с чистыми металлами без примесей полимера и позволяет создать готовый образец за один этап.
2. Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) с использованием электронного луча вместо лазера; эта технология требует работы в вакуумной камере, но позволяет использовать даже такие металлы, как титан.

Встречаются и такие названия, как Direct Metal Fabrication (DMF) , а также Direct Manufacturing .

Принтер SPRO 250 Direct Metal производства 3D Systems, который, как понятно из названия, может работать с металлами по технологии SLM, с рабочей камерой 25×24×32 см имеет размер 1,7×0,8×2 метра и вес 1225 кг. Заявленная скорость от 5 до 20 кубических сантиметров в час, и можно сделать вывод, что модель объемом со стакан будет изготавливаться минимум 10 часов.

• широкий спектр материалов, пригодных для использования;
• позволяет создавать очень сложные модели;
• скорость в среднем выше, чем у SLA, и может достигать 30–40 мм в час по вертикали;
• может использоваться не только для создания прототипов, но и для мелкосерийного производства, в т. ч. ювелирных изделий;

• требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода;
• меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение: минимальная толщина слоя 0,1–0,15 мм (в зависимости от материала может быть и немного менее 0,1 мм); по горизонтали, как и в SLA, точность определяется фокусировкой лазерного луча;
• требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка;
• в большинстве случаев требуется финишная обработка.

Цена на установки SLS еще выше, чем SLA, и может достигать миллионов долларов. Однако отметим, что в феврале 2014 года истек срок патентов на технологию SLS, поэтому вполне можно спрогнозировать увеличение количества компаний, предлагающих подобную технику, а соответственно и заметное снижение цен. Тем не менее, вряд ли в ближайшие годы цены снизятся столь существенно, что SLS-печать станет доступной хотя бы малому бизнесу, не говоря уже о частных энтузиастах.

Поскольку материалы очень разнообразны, мы не приводим ориентировочных цен.

Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM)

Принтеры, основанные на данной технологии, выпускаются компанией 3D Systems. В связи с патентными ограничениями есть и названия, используемые другими производителями принтеров: PolyJet (Photopolymer Jetting, компания Stratasys), DODJet (Drop-On-Demand Jet, компания Solidscape). Конечно, отличия не только в названиях, но базовые принципы похожи.

Процесс очень напоминает обычную струйную печать: материал подается через сопла малого диаметра, расположенные рядами на печатающей головке. Количество сопел может быть от нескольких штук до нескольких сотен. Конечно, материал не является жидким при комнатной температуре: сначала он нагревается до температуры плавления (как правило, не очень высокой), затем подается в головку, наносится послойно и застывает. Слои формируются перемещением головки в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение при переходе к следующему слою, как и в предыдущих случаях, обеспечивается опусканием рабочего стола. В варианте DODJet добавляется этап обработки слоя фрезерной головкой.

В качестве материала для MJM-принтеров используют пластики, фотополимеры, специальный воск, а также материалы для медицинских имплантов, зубных слепков и протезов. Возможна и комбинация разных материалов: в отличие от предыдущих двух технологий, выступающие под большим углом элементы моделей или горизонтальные перемычки во избежание провисаний требуют применения поддерживающих структур, которые при финишной обработке приходится удалять. Чтобы не делать это вручную, можно применить для поддержек материал с меньшей температурой плавления, чем для собственно модели, и потом удалить его расплавлением в специальной печи. Другой вариант - использование для поддержек материала, который удаляется растворением в специализированном растворе, а порой и просто в воде.

Использование фотополимера, как и в стереолитографии, потребует отверждения ультрафиолетом, поэтому напечатанный слой засвечивается УФ-лампой. Воск же затвердевает при естественном охлаждении. Конечно, восковые модели не отличаются особой прочностью, но их очень легко использовать при изготовлении форм для литья.

Как и в обычной струйной печати, использование материалов разного цвета позволит создавать за один цикл многоцветные модели, а смешение базовых цветов даст возможность получать множество оттенков. Кроме этого, можно сочетать в одной модели материалы с разными свойствами - например, твердые и эластичные.

Перейдем к примерам.

Компактный принтер Solidscape 3Z max при собственных размерах 56×50×42 см и весе 34 кг позволяет создавать модели размерами до 152×152×101 мм, обеспечивая разрешение 5000×5000 dpi (197×197 точек/мм) по осям X, Y и 8000 dpi (158 точек/мм) по оси Z. Его цена около $50 000, но в линейке 3Z есть и более дешевые модели.

В этих принтерах как раз и используется воск двух типов: более тугоплавкий (95–115 °С) для собственно моделей и легкоплавкий (50–72 °С) для поддерживающих структур, которые потом удаляются при низких температурах с помощью специального раствора.

Приблизительная стоимость: воск для моделей 3Z LabCast - $260–270 за 360 г, воск для поддержек $200–210 за 230 г. Как видите, к очень уж дешевым такие расходные материалы не отнесешь.

• достижимы очень малая толщина слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi);
• возможность многоцветной печати и сочетания материалов с разными свойствами;
• принтеры могут быть достаточно компактными, особенно в сравнении с предыдущими двумя технологиями.

• для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами требуются поддержки, которые приходится тем или иным способом удалять;
• ограниченный выбор материалов для работы.

Послойное склеивание пленок (Laminated Object Manufacturing, LOM)

Тонкие листы материала раскраиваются лазерным лучом или специальным лезвием, а потом тем или иным способом соединяются между собой. Для создания 3D-моделей может использоваться не только пластик, но даже бумага, керамика или металл.

Поскольку разных моделей очень много, рассмотрим один очень характерный пример - цветной 3D-принтер Mcor IRIS, продемонстрированный компанией Mcor Technologies на выставке SolidWorks World 2013. Он использует в качестве материала самые обычные листы бумаги формата А4 или Letter плотностью 160 г/м², которые окрашиваются в необходимый цвет. Разрешение печати 5760×1440×508 точек на дюйм, а максимальный размер создаваемых объектов составляет 256×169×150 мм. При этом обеспечивается полноцветная печать с передачей более миллиона цветов.

На фото изображен 3D-принтер на подставке; габариты самого принтера 95×70×80 см, вес 160 кг. В подставке размером 116×72×94 см и весом еще 150 кг скрывается цветной 2D-принтер.

Создание модели ведется в несколько этапов: на первом пачка бумаги загружается в 2D-принтер и на каждом из листов в цвете печатается нужный слой.

Затем отпечатанные листы переносятся оператором в 3D-принтер, где специальным лезвием на каждом из них делается прорезь по границе нанесенного изображения, а потом листы склеиваются между собой. На третьем этапе оператор вручную удаляет лишнюю бумагу, не содержащую изображения, что для сложных моделей может занять немало времени.

Как вы уже поняли, в процессе работы получается довольно много отходов: если размер данного сечения модели гораздо меньше А4 или Letter, то остальная часть листа пойдет в корзину; помножьте на количество сечений и представьте, сколько бумаги будет выброшено.

Модели получаются очень впечатляющими и довольно прочными, а их себестоимость кажется копеечной - бумага ведь дешевая!

Но ведь потребуется еще и клей для соединения слоев (около $70 за 600 мл), и картриджи с красителями стандартных цветов CMYK (около $700 за набор из 4 картриджей по 320 мл или $195 за каждый картридж по отдельности), которых, по оценке производителя, хватает в среднем на 48 моделей. Получается не так и дешево, а цена самого аппарата впечатляет еще больше: на Западе упоминаются цены от $47 600, а на российском рынке предложения и вовсе начинаются от двух миллионов рублей.

Есть и естественное ограничение на толщину слоя, равную толщине листа бумаги. Это очень хорошо заметно на следующей модели:

На примере Mcor IRIS перечислим основные достоинства и недостатки, многие из которых присущи и другим принтерам, основанным на технологии LOM.

• возможность полноцветной печати с высоким разрешением по осям X и Y;
• доступность и относительная дешевизна главного расходного материала - бумаги;
• можно создавать довольно большие модели;
• для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами не требуется формирование поддерживающих структур.

• крайне ограниченный набор материалов для создания моделей (в Mcor IRIS - только бумага), а отсюда и ограничения на прочностные и другие свойства создаваемых образцов;
• толщина слоя всецело зависит от толщины используемого листового материала, из-за чего модель порой получается грубой, а механическая обработка для сглаживания возможна не всегда, поскольку может привести к расслоению;
• наличие немалого количества отходов, причем если горизонтальные проекции модели гораздо меньше листа А4/Letter, то отходов получается очень много; избежать этого можно одновременным изготовлением нескольких небольших образцов;
• всегда требуется финишная обработка, связанная с удалением лишнего материала, она лишь может быть проще или сложнее в зависимости от свойств модели; причем если модель имеет полости с ограниченным доступом, то удалить из них лишнее может быть попросту невозможно.

Раз уж мы упомянули полноцветную печать, которая в технологии LOM хоть и реализуется, но всё же на основе обычной 2D-печати, нельзя не рассказать и о трехмерной печати из гипсового композита.

3D Printing (3DP, 3D-печать)

Как и в SLS, основой для будущего объекта является порошок (гипсовый композит), только он не спекается, а послойно склеивается введением связующего вещества.

Для построения очередного слоя модели по всей площади рабочего стола валиком наносится и разравнивается порошок, в который печатающей головкой, напоминающей струйную, по форме данного сечения модели вводится жидкий клей. Кстати: есть упоминания, что головки разрабатываются Hewlett-Packard. Затем стол с уже созданными слоями опускается и процесс повторяется нужное количество раз, а по окончании происходит нагрев для ускорения высыхания клеящего состава. После этого лишний порошок, оставшийся несвязанным, удаляется: в основном автоматически, возвращаясь в бункер для последующей работы, а из сложнодоступных мест - струей воздуха (станция очистки может быть встроена в дорогие модели) или кистью.

Но в получившейся модели остаются поры - пространство между частичками порошка, а поверхность получается шероховатой. Для придания нужных свойств (гладкости, прочности, малой гигроскопичности) ее нужно обработать специальным составом-закрепителем. В его качестве может выступать раствор английской соли (гептагидрат сульфата магния), воск, парафин, цианокрилаты и эпоксидная смола; часть из них можно наносить простым опрыскиванием или погружением, а для других используются специальные станции.

Откуда же берется полноцветная печать, если порошок один и тот же? А очень просто: красители вводятся в связующее вещество, и их смешение позволяет получить от 64 до 390 000 оттенков. Причем некоторые типы закрепителей позволяют сделать цвета очень яркими.

Такой способ используется в серии ZPrinter, выпускавшейся компанией ZCorporation, которая в 2011 году была поглощена 3D Systems, после чего серия получила название ProJet и несколько иной внешний вид. В серию входят и цветные, и монохромные принтеры с размерами рабочих камер до 508×381×229 мм. Толщину слоя можно задавать ступенями от 0,089 до 0,125 мм, а скорость работы может достигать 2700 см³/час.

Младшая модель серии, принтер ProJet 160 (ZPrinter 150), в России продается по цене свыше 700 тысяч рублей, имеет рабочую камеру 236×185×127 мм, единственно возможную толщину слоя 0,1 мм. Габариты аппарата 740×790×1400 мм при весе 165 кг.

Обеспечиваемое этим аппаратом разрешение составляет 300 dpi по оси X, 450 dpi по Y и 250 dpi (т. е. 0,1 мм) по Z. Печатающая головка имеет 304 сопла, а скорость работы 870 см³/час. Поскольку используется композитный гипсовый материал белого цвета, то и модели получаются белыми; возможности цветной печати нет. Восьмикилограммовое ведро порошка стоит около $1000, а набор 2×1 л прозрачной связующей жидкости $600.

Самый дешевый цветной принтер серии, ProJet 260C (ZPrinter 250), обойдется уже примерно в 1,2–1,3 миллиона рублей. Параметры его примерно те же, что и у ProJet 160, а количество доступных цветов ограничено 64. Цена на младший из полноцветных принтеров, ProJet 460Plus (ZPrinter 450), почти вдвое выше.

• позволяет создавать очень сложные модели без поддерживающих структур;
• возможность полноцветной печати с высоким разрешением.

• крайне ограниченное количество материалов, пригодных для использования;
• в ряде случаев требуется финишная обработка, особенно когда нельзя мириться с шероховатой поверхностью;
• малая прочность получившихся образцов даже после обработки закрепляющим составом.

Теперь переходим к технологии, которая в последнее время стала наиболее распространенной, и рассмотрим ее наиболее подробно, поскольку в последующих обзорах мы будем иметь дело с принтерами на основе именно этой технологии.

Послойное наплавление (Fusing Deposition Modeling, FDM)

Как и во всех остальных рассмотренных нами технологиях, модель при FDM-печати создается послойно. Для изготовления очередного слоя термопластичный материал нагревается в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливается в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, оседая на поверхности рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно «рисует» нужный слой - контуры и заполнение между ними, после чего происходит вертикальное перемещение (чаще всего опусканием стола, но есть модели, в которых приподнимается головка) на толщину слоя и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет построена полностью.

В качестве расходного материала чаще всего используются различные пластики, хотя есть и модели, позволяющие работать с другими материалами - оловом, сплавами металлов с невысокой температурой плавления и даже шоколадом.

Минусы, присущие данной методике, очевидны:

• невысокая скорость работы (но, собственно, очень уж высокой скоростью не могут похвастать и другие технологии: для построения крупных и сложных моделей требуются многие часы и даже десятки часов);
• небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к более или менее заметной слоистости поверхности изготовленной модели;
• проблемы с фиксацией модели на рабочем столе (первый слой должен прилипнуть к поверхности платформы, но так, чтобы готовую модель можно было снять); их пытаются решить разными способами - подогревом рабочего стола, нанесением на него различных покрытий, однако совсем и всегда избежать не получается;
• для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять, но даже с учетом этого некоторые модели попросту невозможно сделать на FDM-принтере за один цикл, и приходится разбивать их на детали с последующим соединением склейкой или другим способом.

Таким образом, для очень многих образцов, изготовленных по технологии FDM, потребуется более или менее сложная финишная обработка, которую сложно или невозможно механизировать, поэтому в основном она производится вручную.

Есть и менее очевидные недостатки, например, зависимость прочности от направления, в котором прикладывается усилие. Так, можно сделать образец достаточно прочным на сжатие в направлении, перпендикулярном расположению слоев, но вот на скручивание он будет гораздо менее прочным: возможен разрыв по границе слоев.

Другой момент в той или иной мере присущ любой технологии, связанной с нагревом: это термоусадка, которая приводит к изменению размеров образца после остывания. Конечно, тут много зависит от свойств используемого материала, но порой нельзя примириться даже с изменениями в несколько десятых долей процента.

Далее: технология может показаться безотходной только на первый взгляд. И речь не только о поддерживающих структурах в сложных моделях, немало пластика уходит в отходы даже у опытного оператора при подборе оптимального для конкретной модели режима печати.

Почему же при таком количестве проблем эта технология сейчас стала столь популярной?

Главная и определяющая причина - цена как на сами принтеры, так и на расходные материалы к ним. Первым важным толчком в процессе продвижения FDM-принтеров «в массы» стало истечение в 2009 году срока действия патентов, вследствие чего за пять лет цены на такие принтеры снизились более чем на порядок, а если рассмотреть крайности (самые дорогие до 2009 года и самые дешевые сегодня), то и на два порядка: цена на самые дешевые принтеры китайского производства сегодня составляет всего 300–400 долларов - правда, скорее всего покупатель в них моментально разочаруется. Более приличные принтеры начального уровня сейчас имеют цену уже ближе к $1200–1500.

Вторым немаловажным фактором стало появление проекта RepRap , или Replicating Rapid Prototyper - самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования. Самовоспроизведение касается изготовления на уже сделанном принтере частей для другого подобного принтера - конечно, не всех, а лишь тех, которые можно создать в рамках данной технологии, всё прочее приходится покупать. И оно не было самоцелью проекта: главной задачей стало создание максимально дешевых моделей принтеров, доступных даже частным энтузиастам, не обремененным излишком денег, но желающим попробовать свои силы в 3D-печати. Более того, самовоспроизводящимися (в сколь-нибудь заметной части всех деталей) были и есть далеко не все прототипы, созданные в рамках RepRap.

Мы не будем заниматься подробным описанием этапов становления проекта RepRap, разбором достоинств и недостатков таких прототипов, как Darwin, Mendel, Prusa Mendel, Huxley. Тема очень обширна, чтобы ее можно было рассмотреть в рамках данного обзора, и мы приводим эти названия только как ключевые слова для поиска информации, которой в интернете очень много.

Конечно, создаваемые таким образом принтеры чаще всего далеки от совершенства даже в рамках технологии FDM, но они позволяют с минимальными финансовыми затратами создать вполне работоспособный аппарат. Нужно отметить: сегодня вовсе не обязательно искать обладателя принтера, чтобы напечатать возможные детали, и бегать по магазинам в поисках остального; предлагаются полные наборы для самостоятельной сборки принтера, так называемые DIY kits (от «Do It Yourself» - сделай это сам), которые позволяют и заметно сэкономить, и избежать лишней беготни и хлопот, да к тому же содержат подробные инструкции по сборке. Но есть простор и для тех, кто не хочет замыкаться в рамки готовых конструкций и желает внести в них что-то свое: есть масса предложений по любым отдельным комплектующим для подобных принтеров.

Еще одна положительная сторона развития проекта RepRap - появление и совершенствование различного программного обеспечения для работы с подобными 3D-принтерами, причем распространяемого свободно. В этом немаловажное отличие от аппаратов, выпускаемых именитыми производителями, которые работают только с собственным ПО.

В принципе, проект не замыкается на технологии FDM, но пока именно она является наиболее доступной, равно как наиболее доступным материалом является пластиковая нить, которая и используется в подавляющем большинстве принтеров, создаваемых на базе разработок RepRap.

Широкое распространение FDM-принтеров привело к увеличению спроса на расходные материалы к ним; предложение не могло не последовать за спросом, и произошло то же самое, что и с самими принтерами: цены рухнули. Если на старых интернет-страницах, посвященных FDM-технологиям, встречаются упоминания цен на уровне 2-3 и даже более сотен евро за килограмм пластиковой нити, то сейчас повсеместно речь идет о десятках евро, и лишь на новые материалы с необычными свойствами цена может достигать сотни долларов или евро за килограмм. Правда, если раньше продавались в основном «фирменные» материалы, то теперь зачастую предлагается нить непонятного происхождения и неопределенного качества, но это неизбежно сопутствует популярности.

Помимо цены, у FDM-принтеров есть другие достоинства, связанные с возможностями технологии. Так, очень легко оснастить принтер второй печатающей головкой, которая может подавать нить из легко удаляемого материала для создании поддержек в сложных моделях. Внеся краситель при изготовлении пластиковой нити, можно получать различные, очень яркие цвета.

Да и сам материал нити может иметь самые разные свойства, поэтому рассмотрим вкратце наиболее распространенные типы.

Пластиковая нить может быть двух стандартных диаметров: 1,75 и 3 мм. Естественно, они не взаимозаменяемы, и выбор нужного диаметра следует уточнять по спецификации принтера. Поставляется пластик на катушках и измеряется не длиной, а весом. Для FDM-принтеров некоторых производителей (например, CubeX от 3D Systems) нужно покупать не катушки, а специальные картриджи с нитью, которые в пересчете на килограмм обходятся заметно дороже, но производитель гарантирует качество материала - словом, всё точно так, как в обычных принтерах: «оригинальная» и «совместимая» расходка.

Для каждого типа материала должны быть известны рабочая температура, до которой должен нагреваться материал в печатающей головке, и температура подогрева рабочего стола (платформы) для лучшего прилипания первого слоя. Эти величины не всегда одинаковы для любого образца нити, сделанной из материала одного типа, поэтому мы указываем примерный диапазон; по идее, оптимальные температуры должны указываться на этикетке катушки или в сопроводительном документе, но это происходит далеко не всегда, и зачастую их приходится подбирать экспериментально.

Основными материалами для FDM-принтеров являются пластики ABS и PLA.

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) - это ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Сырьем для его производства является нефть. Этот пластик непрозрачный, легко окрашивается в разные цвета.

Достоинства ABS:

• долговечность,
• ударопрочность и относительная эластичность,
• нетоксичность,
• влаго- и маслостойкость,
• стойкость к щелочам и кислотам,
• широкий диапазон эксплуатационных температур: от −40 °С до +90 °С, у модифицированных марок до 103–113 °С.

К достоинствам следует отнести невысокую стоимость, растворимость в ацетоне (что позволяет не только склеивать детали из ABS, но также сглаживать с помощью ацетона неровную поверхность). ABS более жесткий, чем PLA, и потому сохраняет форму при больших нагрузках.

Из недостатков надо упомянуть следующие:

• несовместимость с пищевыми продуктами, особенно горячими, поскольку при определенных условиях (высокой температуре) может выделять циановодород,
• неустойчивость к ультрафиолетовому излучению (т. е. не любит прямых солнечных лучей),
• термоусадка заметно выше, чем у PLA,
• более хрупкий, чем PLA.

Рабочая температура выше, чем у PLA, и находится в диапазоне 210–270 °С. При работе с нитью ABS ощущается слабый запах. Кроме того, для лучшего прилипания первого слоя модели к рабочему столу требуется подогрев стола примерно до 110 градусов.

Про цену: встречаются упоминания $30–40 за килограммовую катушку. Реально цены в России начинаются от 1500 (мелкий опт) до 2000 и более (розница) рублей за килограмм, если речь идет о китайских производителях. ABS-нить от известных фирм, изготовленная в США, может быть в полтора-два раза дороже.

PLA (полилактид, ПЛА) - биоразлагаемый, биосовместимый полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат возобновляемые ресурсы - например, кукуруза или сахарный тростник, поэтому материал является нетоксичным и может применяться для производства экологически чистой упаковки и одноразовой посуды, а также в медицине и в средствах личной гигиены.

Сразу отметим: биоразлагаемость вовсе не синоним крайней недолговечности, изделия из PLA вполне жизнеспособны.

Достоинства:

• низкий коэффициент трения, делающий его пригодным для изготовления подшипников скольжения,
• малая термоусадка, особенно в сравнении с ABS,
• менее хрупкий и более вязкий, чем ABS: при одинаковых нагрузках скорее согнется, чем сломается.

Рабочая температура ниже, чем у ABS: около 180–190 °С. Подогрев рабочего стола не является обязательным, но желательно всё же нагревать стол до 50–60 °С.

Недостатки: один из них мы уже упомянули - меньшую, чем у ABS, долговечность. Кроме того, PLA более гигроскопичен, и даже при хранении требует соблюдения режима влажности, иначе может начаться расслоение материала и появление в нем пузырьков, что приведет к дефектам при изготовлении модели. К тому же PLA зачастую немного дороже ABS, хотя цена сильно зависит от производителя и продавца.

Ацетон практически не оказывает воздействия на PLA, его приходится склеивать и обрабатывать дихлорэтаном, хлороформом или другими хлорированными углеводородами, что требует повышенных мер безопасности при работе (но, конечно, и ацетон в этом плане не подарок).

Другие материалы для FDM-печати распространены гораздо меньше.

HIPS (High-impact Polystyrene, ударопрочный полистирол) - материал непрозрачный, жесткий, твердый, стойкий к ударным воздействиям, к морозу и перепадам температур. Растворяется в лимонене - естественном растворителе, извлекаемом из цитрусовых, и потому может использоваться для создания поддерживающих структур, которые не придется удалять механически.

Рабочая температура около 230 °С, цена на 30–50% выше, чем у ABS.

Нейлон легкий, гибкий, устойчивый к химическому воздействию. Детали из него обладают очень низким поверхностным трением.

Рабочая температура выше, чем у PLA: около 240–250 °С. Правда, при этом не выделяется паров или запахов. Стоимость нейлоновой нити в два раза больше, чем PLA или ABS.

PC (Polycarbonate, поликарбонат) - довольно твёрдый полимер, сохраняющий свои свойства в диапазоне температур от −40 °С до 120 °С. Обладает высоким светопропусканием и часто используется в качестве заменителя стекла, а поскольку еще имеет меньшую удельную массу и более высокий коэффициент преломления, то прекрасно подходит для производства линз. Полная биологическая инертность позволяет делать из него даже контактные линзы. Кроме того, из него изготавливают компакт-диски.

Температура печати 260–300 °С. В виде нити для FDM-печати пока выпускается мало, поэтому цена втрое выше, чем у ABS.

Похожими оптическими свойствами обладает PETT (Polyethylene terephthalate, полиэтилентерефталат). Модели из него получаются очень прочными, поскольку слои расплавленного материала отлично склеиваются. Рабочая температура 210–225 °С, стол желательно подогреть до 50–80 °С. Цена около 4500–5000 рублей за килограмм.

Под аббревиатурой PVA (ПВА) могут скрываться два типа материала: поливинилацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) и поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). По химической формуле они довольно похожи, только в поливиниловом спирте отсутствуют ацетатные группы, и свойства их тоже совпадают - во многом, но не во всем. К сожалению, продавцы зачастую указывают просто «PVA (ПВА)», не делая различий, поэтому мы можем привести только обобщенную примерную цену: 4500–5000 рублей за килограмм нити.

Поливиниловый спирт PVAl требует рабочей температуры около 180–200 °С, дальнейшее ее повышение нежелательно - может начаться пиролиз (термическое разложение). Кроме того, материал очень гигроскопичен, он активно поглощает влагу из воздуха, что создает проблемы и при хранении, и при печати, особенно если диаметр нити 1,75 мм. С другой стороны, это же свойство является очень полезным: поддержки, сделанные из PVAl, растворяются в холодной воде.

Поливинилацетат PVAc всем хорошо известен как составная часть клея ПВА, представляющего собой водную эмульсию этого вещества. Для него требуется немного более низкая рабочая температура: 160–170 градусов. Он также хорошо растворяется в воде.

Все время появляются новые материалы с оригинальными свойствами. Правда, цена на них в первое время может быть очень высокой.

Например, эластомер NinjaFlex позволяет создавать эластичные изделия. Цена около 7500–8000 рублей за килограмм, рабочая температура 210–225 °С, температура стола может быть комнатной или слегка повышенной, до 35–40 °С.

Недавно появившийся материал Laywoo-D3 интересен прежде всего тем, что изделия из него по фактуре напоминают дерево и даже пахнут, как деревянные. Дело в том, что его как раз и делают на основе мелких частиц дерева и связующего полимера. Рабочие температуры могут быть в диапазоне 175–250 °С, подогрев стола не требуется. Причем цвет после застывания будет зависеть от выбранной температуры: чем она выше, тем темнее. Меняя температуру во время печати, можно даже получить подобие годовых колец, как на натуральном дереве. Конечно, и цена на этот материал немалая - около 10 тысяч рублей за килограмм.

Другой экзотический материал, Laybrick , содержит минеральные наполнители и позволяет имитировать изделия из песчаника. Рабочая температура находится в пределах 165–210 °С; на этот раз с повышением температуры можно получить более грубую поверхность для усиления эффекта имитации. Он также не требует подогрева стола, но по окончании печати следует выждать несколько часов, чтобы модель окончательно затвердела, и лишь потом снимать ее. Цена те же 10 тысяч рублей за килограмм.

Конечно, все указанные выше цены являются лишь ориентиром: они могут меняться как по прошествии времени, так и от продавца к продавцу, особенно если покупать не в России, а заказывать за рубежом.

Поскольку наш обзор рассчитан в основном на тех, кто недавно заинтересовался 3D-печатью и пока не имеет собственного опыта работы в этой сфере, отметим: лучше всего начинать с «курса молодого бойца», и даже порекомендуем (по ссылке можно скачать программу курсов и найти контактные координаты). Помимо рассказа о теоретических основах, каждому «курсанту» предоставляется возможность поработать на весьма неплохом FDM-принтере под руководством знающих специалистов. Конечно, курсы коммерческие, т. е. платные, но потраченные деньги быстро окупятся, поскольку вы получите знания о том, как избежать самых частых ошибок, и практический опыт, пусть и небольшой.

На этом мы завершаем обзор, чтобы вскоре перейти к другим аспектам 3D-печати и конкретным моделям принтеров.

На хабре уже были статьи о технологиях печати, которые используют 3D принтеры, однако в данной статье я постарался подойти к вопросу системно, чтобы в голове у читателя сложилась четкая картина о том, какие принципы заложены в технологии 3D печати, какие материалы используются и в конечном итоге какую технологию лучше использовать для получения определенного результата, будь то деталь из титана, или мастер-модель для последующего тиражирования.
Статья основана на книге Fabricated: The New World of 3D printing

I. Те которые что-то выдавливают или выливают или распыляют

1) FDM (fused deposition modeling) принтеры которые выдавливают какой-то материал слой за слоем через сопло-дозатор, не буду расписывать подробно, мы про них все знаем. Все мэйкерботоподобные принтеры + принтеры Stratasys + различные кулинарные принтеры (используют глазурь, сыр, тесто) + медицинские которые печатают “живыми чернилами” (когда какой-либо набор живых клеток помещается в специальный медицинский гель которые используется далее в биомедицине)

2) Технология Polyjet , была изобретена израильской компанией Objet в 2000 г. в 2012 их купили Stratasys. Суть технологии: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ излучения. Важная особенность, отличающая PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.
Преимущества технологии: а) толщина слоя до 16 микрон (клетка крови 10 микрон) б) быстро печатает, так как жидкость можно наносить очень быстро. Недостатки технологии: а) печатает только с использованием фотополимера - узко-специализированный, дорогой пластик, как правило, чувствительный к УФ и достаточно хрупкий.
Применение: промышленное прототипирование и медицина

3) LENS (LASER ENGINEERED NET SHAPING)
Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера мгновенно спекается и слой за слоем формирует трехмерную деталь. Именно по такой технологии печатают стальные и титановые объекты.
Поскольку до появления этой технологии печатать можно было только объекты из пластика, к 3D печати особенно серьезно никто не относился, а эта технология, открыла двери для 3D печати в “большую” промышленность. Порошки различных материалов можно смешивать и получать таким образом сплавы, на лету.
Применение: например, титановые лопатки для турбин с внутренними каналами охлаждения. Производитель оборудования: Optomec

4) LOM (laminated object manufacturing)
Тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект. Т.е. укладывается тонкий лист материала, который вырезается по контуру объекта, таким образом получается один слой, на него укладывается следующий лист и так далее. После этого все листы прессуются или спекаются.
Таким образом печатают 3D модели из бумаги, пластика или из алюминия. Для печати моделей из алюминия используется тонкая алюминиевая фольга, которая вырезается по контуру слой за слоем и затем спекается с помощью ультразвуковой вибрации.

II. Те которые что-то спекают или склеивают

1) SL (Stereolithography) Стереолитография.
Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того как один слой готов платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту далее запекается следующий слой и так далее. Иногда происходит наоборот: платформа с деталью поднимается вверх, лазер соответственно расположен снизу…
После печати таким методом, требуется постобработка объекта - удаление лишнего материала и поддержки, иногда поверхность шлифуют. В зависимости от необходимых свойств конечного объекта модель запекают в т.н. ультрафиолетовых духовках.
Фотополимер зачастую бывает токсичным поэтому при работе с ним нужно пользоваться средствами защиты и респираторами. Содержать и обслуживать такой принтер дома - сложно и дорого
Преимущества: быстро и точно, точность до 10 микрон. Для спекания фотополимера достаточно лазера от Blu-ray проигрывателя, благодаря чему на рынке появляются дешевые при этом точные принтеры работающие по такой технологии (e.g. Form1).

2) LS (laser sintering)
Лазерное спекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.
Преимущества: а) менее вероятно, что деталь сломается в процессе печати, так как сам порошок выступает надежной поддержкой б) материалы в порошковой форме довольно легко найти в продаже в том числе это могут быть: бронза, сталь, нейлон, титан
Недостатки: а) поверхность получается пористая б) некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом в) спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают, в зависимости от размера и толщины слоев, некоторые предметы могут остывать до одного дня.

3) 3DP (three dimensional printing)
Технология изобретена в 1980 году в MIT студентом Paul Williams, технология была продана в несколько коммерческих организаций, одна из которых - zCorp, в настоящее время поглощена 3D Systems.
На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. На выходе, как правило, получается материал sandstone (похожий по свойствам на гипс)
Преимущества: а) так как используется клей, в него можно добавить краску и таким образом печатать цветные объекты б) технология относительна дешевая и энергоэффективная в) можно использовать в условиях дома или офиса в) можно печатать использовать порошок стекла, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки. Используя похожу технологию можно печатать съедобные объекты например из сахара или шоколадного порошка. Порошок склеивается специальным пищевым клеем, в клей может добавляться краситель и ароматизатор. Как пример, новые 3D принтеры от компании 3D systems, которые были продемонстрированы на CES 2014 - ChefJet и ChefJet Pro
Недостатки: а) на выходе получается достаточно грубая поверхность, с невысоким разрешение ~ 100 микрон б) материал нужно подвергать постобработке (запекать), чтобы придать ему необходимые свойства.

Надеюсь материал будет для вас полезен.
Дополнения принимаются.

Появление на рынке 3D-принтеров ознаменовало новую эпоху. Если раньше продукция, разработанная на базе высоких технологий, в бытовом хозяйстве позволяла решать привычные задачи, то в случае с трехмерной печатью предлагается новый способ применения устройств. Разумеется, новым он является только для рядового пользователя, так как в промышленности и на производственных предприятиях схожие технологии используются давно. Но в любом случае печать на 3D-принтере значительно расширяет возможности потребителя, к освоению которых, как показывает практика, готовы далеко не все. Во многом это связано со сложностью технологической реализации аппаратов, а также с нюансами их эксплуатации.

Но самые интересные вопросы касаются пользы от таких принтеров. Какие изделия позволяет создавать данное устройство? Для каких целей его продукцию можно использовать? И как работает 3D-принтер? Это важные вопросы, так как трехмерная печать все же является недешевым удовольствием. Поэтому приобретать соответствующее оборудование ради любопытства, мягко говоря, нецелесообразно. По крайней мере, стоит детальнее вникнуть в рабочие процессы печати и выяснить, какую пользу от них можно ожидать.

Что такое 3D-принтер?

Это устройство для трехмерной печати, посредством которого можно генерировать объемные предметы, дублирующие заранее подготовленную виртуальную модель объекта. По сравнению с традиционными принтерами, которые выводят электронный текст на бумагу, 3D-устройства обеспечивают вывод трехмерной информации, то есть создают объекты с реальными физическими параметрами. Собственно, для понимания того, как работает 3D-принтер, следует рассмотреть этапы изготовления твердых предметов с его помощью.

Принцип работы в общих чертах

Начинается работа с создания виртуального шаблона на компьютере с помощью специальной программы. Далее происходит обработка программным способом модели с целью ее разделения на слои. После этого в работу вступает техническая часть принтера, послойно формируя массу из композитного порошка для дальнейшего изготовления предмета. По мере заполнения специальной камеры материалом ось принтера распределяет массу по рабочей поверхности. После формирования каждого слоя головка устройства накладывает клеевую основу. Повторяется этот процесс до момента, пока не будет выполнен объект, разработанный в программе для печати. Важно учитывать, что изготовление на 3D-принтере может выполняться по разным технологиям. Соответственно, меняется и и свойства используемого материала, а также подходы к программной реализации задачи.

Технология быстрого прототипирования

Несмотря на различия в нюансах процесса изготовления, практически все устройства для трехмерной печати работают на принципе быстрого прототипирования. В соответствии с данной концепцией, производство осуществляется путем быстрого формирования опытных моделей для предварительной демонстрации возможностей будущего продукта. Задумывалась технология еще в 1980-х годах с целью создания образцов и заготовок. Сегодня этот метод известен как понимание которого и даст ответ на вопрос о том, как работает 3D-принтер и что отличает его функцию от традиционных подходов к изготовлению предметов. Так, если в процессе фрезерования, точения и происходит удаление материала, а ковка, прессовка и штамповка изменяют форму заготовки, то аддитивное производство предполагает увеличение массы материала посредством наращивания слоями. Иными словами, 3D принтер изменяет фазовое состояние веществ в определенных границах пространства. На сегодняшний день трехмерная печать развивается в нескольких направлениях, среди которых можно выделить стереолитографические технологии (STL), методы нанесения термопластов (FDM) и лазерное спекание (SLS).

Метод послойного наплавления термопласта

Это, пожалуй, наиболее популярная техника трехмерного изготовления. Распространенности FDM-аппаратов способствует сразу несколько факторов. В первую очередь в работе устройств используются относительно недорогие пластики. Также имеет значение простая техника эксплуатации, что особенно важно в работе с таким оборудованием. Как правило, технологии 3D-принтеров этого типа предусматривают работу с термопластиками, одним из которых является полилактид. Среди преимуществ этого материала отмечается экологичность, так как получают данный пластик из сахарного тростника и кукурузы.

Главным же элементом в самом принтере стоит назвать экструдер, который выполняет задачу печатной головки. Впрочем, в этой части не все так однозначно, поскольку элемент представляет собой комплекс отдельных компонентов. Если рассматривать термин «экструдер» в привычном понимании, то к нему будет относиться только часть головки в виде подающего механизма. Так или иначе, печатающая основа подает пластик для 3D-принтера путем нанесения расплавленной нити. Движение механической части обеспечивается электромотором. В итоге механизм направляет нить в нагреваемую трубу сопла, которая и формирует конечный объект.

Стереолитографические установки

Технология лазерной стереолитографии сегодня широко применяется в протезировании зубов. Это второй по популярности тип принтеров для 3D-печати. Отличительной чертой стереолитографических устройств является получение непревзойденно высокого качества объектов. Достигаются такие результаты благодаря разрешению аппаратов, которое может исчисляться единичными микронами. Поэтому вполне логично, что работа 3D-принтера на основе лазерной стереолитографии высоко ценится не только стоматологами, но и ювелирами. Программная часть устройства во многом напоминает FDM-аналоги, но есть и целый ряд особенностей технологии. Несмотря на тот факт, что принцип печати называют лазерной стереолитографией, все чаще функция такого оборудования базируется на светодиодных ультрафиолетовых проекторах.

Проекторные модели надежнее лазерных и по цене обходятся дешевле. Для них не нужны деликатные зеркала, обеспечивающие отклонение лучей, что упрощает конструкцию. В то же время печать на 3D-принтере с проекторами отличается высокой производительностью. Данное преимущество достигается благодаря тому, что происходит не последовательное, а полное засвечивание контура слоя.

Лазерное спекание

Еще одна разновидность применения лазерного метода. В этом случае применяется легкоплавный пластик. Мощный лазер прорисовывает по пластиковой основе сечение объекта, что приводит к плавлению и спеканию материала. Так происходит с каждым слоем до получения завершенной модели, которую подготовила программа для 3D-принтера в качестве заготовки. Остатки пластикового порошка стряхиваются с полученного предмета в конце рабочего процесса. Существенным недостатком таких аппаратов является создание объектов с пористой поверхностью. С другой стороны, это никак не влияет на прочность изделий. Более того, именно вышедшие из таких принтеров модели являются самыми долговечными. Сама же установка имеет сложную конструкцию и, как следствие, высокую стоимость. При этом и процесс изготовления отнимает много времени по сравнению с 3D-принтерами других типов. Как отмечают пользователи, скорость формирования модели составляет несколько сантиметров в час.

Расходные материалы

Основным материалом для создания моделей путем трехмерной печати является термопластик. Кроме уже упомянутых разновидностей, стоит отметить пластик для 3D-принтера в форматах ABS и PLA. Также используется нейлон, поликарбонат, полиэтилен и другие виды, также используемые в промышленности. При этом некоторые установки допускают и смешивание материалов, а также использование вспомогательных веществ, улучшающих качественные характеристики будущего изделия. Например, для этой цели используют который, в сущности, является той же разновидностью пластика PVA. Растворив его в воде, пользователь может создавать сложные геометрические фигуры.

Наиболее же экзотическим материалом для использования в подобных задачах является металл. Чтобы получить такое изделие, также применяют 3D-модели для печати на 3D-принтере, а отличия технологии сводятся к функции С ее помощью наносится связующая клейкая масса в места, куда указывает компьютерная программа. Далее на всю рабочую область головка наносит тонкий пласт металлической пудры. То есть металл не плавится, как в случае с пластиками, а накладывается и склеивается послойно в виде мельчайших частичек.

Управление работой принтера

Для начала стоит отметить операции, которые контролируются пользователем через компьютер. Это регулировка температуры сопла и рабочей площадки, темпы подачи материала и работы электромотора, который обеспечивает позиционирование печатающей головки. Все эти действия находятся под управлением электронных контроллеров. Как правило, современные модели таких устройств базируются на системе Arduino с открытой архитектурой. Что касается программного языка, то в принтерах используется так называемый G-код, построенный на командах управления оборудованием для печати. На этой стадии можно перейти к рассмотрению программ-слайсеров, которые обеспечивают перевод 3D-модели для печати на 3D-принтере в понятный контроллерам код. Сразу надо сказать, что такое программное обеспечение не имеет прямого отношения к разработке графических моделей.

Программное обеспечение

В перечень основных задач слайсеров входит установка параметров, в соответствии с которыми будет осуществляться печать. Выбор конкретной программы определяется типом принтера. Например, устройства RepRap подразумевают использование слайсеров, выполненных с открытым кодом. Среди таких можно выделить Replicator G и Skeinforge. Однако немало и производителей, которые рекомендуют использовать только фирменное ПО от конкретных компаний. Это, в частности, относится к аппаратам Cube от фирмы 3D Systems. Что же касается моделирования изделий, то этим занимается специальная программа для 3D-принтера, предназначенная для трехмерного проектирования. Обычно для этих целей используют CAD-редакторы, которые, впрочем, требуют определенного опыта работы с дизайном 3D.

Какие изделия можно получить?

Спектр возможностей трехмерных принтеров активно расширяется, что позволяет создавать продукцию для самых разных сегментов рынка. Если говорить о строительстве и архитектуре, то здесь очень ценятся возможности изготовление макетов, для которых, собственно, и разрабатывалась концепция аддитивного производства. В машиностроительной промышленности также широко используется 3D-принтер. Изделия в данном случае могут быть представлены и потребительской продукцией, и отдельными элементами для концептов. Как уже говорилось, высокая точность изготовления деталей была высоко оценена работниками медицины. Помимо протезирования, 3D-принтер используется в изготовлении макетов и образцов органов.