Печать на 3-Д принтере: всё, что вы хотели знать, но стеснялись загуглить
Если бы у Ван Гога был 3D-принтер, он смог бы не только делать на нём картины, но и смоделировать часть отрезанного уха и «приклеить» обратно. Думаете, это шутка? Отнюдь: ведь возможности 3D-печати уже давно вышли за грани бытовых нужд. Сегодня печатают еду, одежду, протезы, игрушки, роботов, автомобили, дома и даже человеческие органы. А учёные из университета Cornell в США вообще создали копию уха, которое может быть имплантировано живому человеку! Европейское космическое агентство собирается «напечатать» деревню на Луне, а SpaceX успешно протестировала сделанные таким способом двигатели космического корабля. Область применения 3D-печати безгранична: это огромные перспективы на десятилетия вперёд. Вот почему сегодня многие хотят приручить эту технологию. Осталось разобраться, как это работает!
Что такое 3Д-печать?
3D-печать — это когда то, что вы нарисовали в программе на компьютере, превращается в осязаемый трёхмерный объект. Много слоёв материала накладываются друг на друга, и в итоге получается то, что можно держать в руках. Вы запускаете печать в программе, рабочий стол и сопло принтера начинают нагреваться. Когда температура плавления достигает нужных значений, экструдер (печатающая головка) втягивает материал в сопло, опускается на платформу и начинает укладывать нить по слоям. Она затвердевает, а процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова.
Как и где делать макет детали?
Итак, чтобы напечатать деталь на 3D-принтере, вам нужна её трёхмерная модель. Она делается в специальных программах. Их очень много, но мы приведём в пример самые известные.
Tinkercad (бесплатная)
Эту программу не надо устанавливать на компьютер, и открывается она с любого устройства, подключённого к интернету. Совместима со всеми видами принтеров, так как поддерживает файлы STL — это самый популярный и удобный формат файла 3D-модели. В качестве строительных блоков в Tinkercad можно использовать простые геометрические формы, что удобно для начинающих. Но есть и минусы: без доступа в сеть вы не сможете скачать модель, каждый проект надо устанавливать отдельно. Функционал тоже весьма ограничен.
Blender (бесплатная)
Здесь можно не только создавать 3D-модели — Blender используют мультипликаторы для рисования и анимации, но в целом эта программа очень многозадачна. Есть русскоязычная версия. Интерфейс может показаться не таким простым, но разобраться вполне реально. Программа постоянно обновляется, улучшается производительность, добавляются новые инструменты. Правда, если вы — новичок, это может стать и минусом: каждый раз придётся заново привыкать к новому интерфейсу.
Fusion 360 (бесплатная для домашнего пользования)
Эта облачная программа выполняет такие масштабные операции, как моделирование, рендеринг, генеративный дизайн. С Fusion 360 вам не нужен мощный компьютер, ведь все крупные задачи выполняются в облаке. При этом почти со всеми функциями можно работать офлайн. Программное обеспечение регулярно обновляется, раз в несколько месяцев появляются новые функции. Минусы: довольно высокая цена и отсутствие русскоязычной версии.
Materialise Magics (платная)
Это приложение — одно из лидеров в современной индустрии трёхмерной печати. Оно совместимо с любыми 3D-принтерами и обладает широкими возможностями в части редактировании моделей: можно перфорировать деталь, проектировать её обрезку, применять текст, модифицировать общую геометрию изделия, проводить полноценную подготовку к выпеканию и визуализировать на ПК трёхмерный вид будущего изделия. А ещё можно конвертировать файлы в STL-формат и настраивать интерфейс под индивидуальные нужды. Есть русскоязычная версия.
Какие бывают принтеры и как выбрать 3д-принтер?
3D-принтеры различаются по технологиям и материалам. Машины для трёхмерной печати бывают двух видов: FDM и аппараты с фотополимерной печатью (SLA, DLP или LCD).
Самые распространённые — FDM‑принтеры: они печатают расплавленной пластиковой нитью. Материал подаётся через сопло и наносится на платформу по заданным координатам и форме.
Плюсы:
- многообразие цветов;
- легко освоить новичку;
- доступная цена на расходники, широкий выбор;
- технология позволяет создавать сложные формы;
- печать несколькими материалами может выполнять даже принтер с одним экструдером.
Минусы:
- печать не отличается точностью размеров, разрешением и детализацией. Для работы с очень мелкими деталями — не лучший вариант;
- готовые детали нужно дополнительно обрабатывать до гладкой поверхности;
- детали по текстуре получаются неоднородными.
FDM-принтер для 3Д-печати. Фото из интернета
А вот принтеры типа SLA/DLP/LCD вместо пластика используют фотополимерную смолу. Она находится в специальной «ванне» и засвечивается лазером или ультрафиолетовой матрицей. Готовые изделия из смолы удобны в работе: их легко склеивать, окрашивать и комбинировать.
Плюсы:
- идеальный выбор для сложных моделей с высокой детализацией;
- тонкие слои лучше связываются между собой — снижается риск деформации;
- готовый предмет не нужно шлифовать;
- такие принтеры не требуют обновлений и установки дополнительных модификаций: можно пользоваться сразу после подключения к электросети.
Минусы:
- высокая цена;
- процесс печати требует специальных знаний;
- более дорогие расходники, чем у принтеров FDM;
- чувствительность к солнцу: от его прямых лучей прочность изделия из смолы может повыситься.
3Д-принтер типа SLA. Модель принтера с верхним положением стола. Фото из интернета
Выбираем FDM- принтер: конструкции и материалы
Что и куда двигается: кинематика 3d-принтеров
Каждый 3D-принтер имеет свою кинематическую схему: то есть механические части устройства — платформы и экструдеры — передвигаются по-разному. Расскажем о разных кинематических схемах аппаратов типа FDM.
Картезианская
Принтеры с такой кинематикой — самые распространённые. Они работают на основе трёх осей — X, Y, Z. По одной или нескольким из них перемещается печатающая головка относительно платформы. Такие машины всегда выдают стабильный результат. С картезианской схемой предметы можно разделять на составные части и создавать объекты любого размера, не ограниченные объёмом принтера.
Плюсы:
- простая схема движения, подходит для любительской печати;
- принтер может выпускаться в любых габаритах, при желании его можно модернизировать;
- большой ассортимент и широкая цветовая палитра расходников.
Минусы:
- картезианские принтеры громоздкие;
- невысокая скорость печати.
3D-принтеры с картезианской кинематикой. Источник фото 3d-diy.ru
DELTA
У таких принтеров все три оси одновременно отвечают за положение печатающей головки в пространстве. Машина выглядит как закрепленный на трёх точках экструдер, соединённый в единую конструкцию с неподвижной платформой. Все тяжелые детали держатся на корпусе, поэтому печатающая головка лёгкая и позволяет развивать самые большие скорости из всех FDM-принтеров. DELTA — самая компактная технология. Такие машины занимают мало места в горизонтальной проекции: весь основной объём уходит вверх.
Плюсы:
- компактные;
- самая высокая скорость печати;
- красиво выглядят, интересно смотреть на процесс.
Минусы:
- у бюджетных моделей качество печати падает от центра стола к его краям;
- если вы отмерили нулевой уровень стола, но произошло малейшее смещение — все измерения надо проводить заново;
- непростая конструкция и высокие требования к качеству комплектующих;
- такие принтеры сложны в ремонте.
3D-принтер с Delta-кинематикой. Источник фото 3d-diy.ru
Полярные
Уточним «на берегу»: в основном полярные принтеры используют в образовательных целях. Для профессионального уровня они пока не подходят и сильно уступают по точности печати картезианским и DELTA. В этой технологии положение экструдера задаётся показателями угла и радиуса. Платформа у полярных 3D-принтеров круглая, движется по горизонтальной оси и вращается по кругу. Экструдер перемещается вверх и вниз.
Плюсы:
- высокая энергоэффективность;
- можно создавать крупные предметы;
- экономия материалов;
- небольшие габариты.
Минусы:
- качество печати пока на низком уровне: мало резкости и точности;
- платформа в процессе работы не прогревается;
- нельзя обрабатывать пластик ABS.
3D-принтер с полярной кинематикой. Источник фото 3d-diy.ru
C роботизированными манипуляторами
3D-принтеры с такой кинематикой широко используют в промышленных масштабах. Это многофункциональный робот: он проводит сварочные работы, красит, фрезерует и делает многие другие операции. Экструдер выполнен в виде механического манипулятора-захвата, который можно программировать. Он перемещается в разных направлениях в трёх измерениях, под самыми разными углами.
Плюсы:
- эти приборы универсальны: чтобы выполнять новые задачи, достаточно заменить экструдер;
- подходит для промышленных целей: можно печатать крупные объекты.
Минусы:
- точность печати не такая хорошая, как у принтеров с картезианской кинематикой;
- большие габариты;
- высокая цена: стоимость даже небольших моделей для домашнего использования начинается от 150 000 рублей.
3D-принтер с роботизированными манипуляторами. Фото из интернета
Какие бывают материалы для печати на FDM-принтере?
PLA
Самый популярный вид пластика для домашней 3D-печати — полимолочная кислота (PLA). Имеет довольно низкую температуру плавления, не деформируется и не выделяет неприятный запах при печати. А ещё этот пластик — разлагаемый: он более экологичен, чем большинство филаментов, потому что делается из кукурузного крахмала или сахарного тростника. Кстати, именно из PLA производят пластик, который светится в темноте.
ABS
Акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS) — тоже очень популярный материал для 3D-печати. Из него делают множество товаров: например, конструкторы LEGO и велосипедные шлемы. Изделия из ABS очень прочные и хорошо выдерживают высокие температуры. Печатать предметы из этого материала надо обязательно на рабочем столе с подогреваемой платформой, а также исключить любые сквозняки и периодически проветривать помещение.
PLA и ABS пластик для 3D-печати. Фото из интернета
PETG
Из полиэтиленфталата — PET — делают бутылки для воды, ткани и пищевые контейнеры. Его обогащённая гликолем версия — PETG — широко известный филамент для 3D-принтеров. Благодаря добавке эта нить менее хрупкая, более устойчивая и лёгкая в применении, чем необогащённый полимер. А ещё PETG эластичнее и долговечнее, чем PLA, и более простой в печати, чем ABS. Хранить материал надо в прохладном месте.
TPE
По сути, это пластик со свойствами резины. TPE очень гибкий и долговечный: встречается в автомобильных деталях, медицинских материалах и бытовых товарах. Эти нити мягкие и хорошо тянутся — они выдерживают нагрузку, с которой не справляются ABS и PLA. Но печать не так проста — нужна особая конструкция экструдера 3D-принтера.
PETG и TPE пластик для 3D-печати. Фото из интернета
ТPU
Это термопластичный полиуретан. По сравнению с обычным TPE, TPU чуть более жёсткий — для 3D-печати это хорошо. Он более долговечный и лучше сохраняет эластичность на морозе.
TPC
Термопластичный сополиэфир — TPC — ещё один вид TPE, но используется он значительно реже. Главный плюс TPC — более высокая стойкость к химическому воздействию и УФ-лучам. Он также отлично переносит нагрев до 150°C.
Композиты
Композитные филаменты для 3D-печати — это смесь из пластика и добавки, которая придаёт материалу дополнительные свойства или меняет его внешний вид. С помощью такого микса добиваются повышенной прочности, твёрдости, устойчивости к ультрафиолету, жидкостям и так далее. Основой чаще всего выбирают пластики PLA и ABS. Композиты более жёсткие, они могут проводить электричество, проявлять антибактериальные свойства, противостоять горению, увеличиваться в объёме, светиться в рентгеновском излучении и имеют ряд других интересных свойств.
Из-за высокой стоимости добавок композиты редко применяют в любительской 3D-печати. Зато на крупных производствах это незаменимая технология. Такие изделия обладают повышенной прочностью. Использование композитов — это стабильно одинаковая форма и минимальная усадка: её почти нет. Отсюда — третий плюс: постоянство результатов открывает широкие возможности для быстрого прототипирования моделей — предмет можно легко воспроизвести повторно без дополнительных настроек.
«Из другого теста»: как работает фотополимерная печать
В отличие от FDM-принтеров, которые печатают пластиком, у другого вида машин — фотополимерных — схема работы другая. Здесь светочувствительные полимеры (смолы) застывают под действием УФ-лучей. Различие технологий печати в таких принтерах заключается в источниках света для полимеризации материала.
SLA
Одна из первых запатентованных технологий 3D-печати. Источником УФ-излучения здесь выступает лазер. При помощи зеркал он фокусируется на нужной точке, а затем последовательно выполняется печать среза детали, слой за слоем.
Плюсы:
- высокая точность — не уступает профессиональным ювелирным станкам с ЧПУ;
- поверхность предметов выглядит отлично: слоёв не видно даже при большом увеличении;
- широкий выбор расходников: от пластичных смол до материалов повышенной прочности.
Минусы:
- высокая цена — SLA-принтеры очень требовательны к качеству комплектующих;
- дорогие расходники;
- скорость печати невысокая по сравнению с DLP и LCD-технологией.
DLP
Такие принтеры работают по принципу SLA, но УФ-излучение в DLP генерирует не лазер, а проектор. Скорость печати в этих машинах существенно выше, ведь проектор засвечивает весь слой целиком, а не точечно.
Плюсы:
- высокая скорость печати. Поскольку проектор засвечивает сразу всю область, неважно, сколько деталей делает принтер: значение имеют только высота и толщина слоя;
- цена на такие машины ниже, чем на SLA-принтеры, а выбор моделей больше.
Минусы:
- некоторые модели уступают по точности аппаратам SLA;
- из-за засвечивания всего слоя может возникать паразитная засветка смолы — это световые блики, которых быть не должно;
- нужно выбирать большой ресурс лампы проектора. Экспозиция деталей бывает очень долгой, и чем меньше ресурс, тем чаще вы будете менять комплектующие. Бывают, например, модели с ёмкостью 50 000 часов — это очень много.
LCD
Изначально LCD-принтеры были более доступным, «домашним» вариантом DLP-аппаратов. Со временем появились машины и для производственных задач с более высокой точностью печати. Эти принтеры — почти копия аппаратов DLP, но вместо проектора здесь — светодиоды. Под ванночкой находится жидкокристаллический дисплей, который затемняется выборочно, в некоторых местах.
Плюсы:
- низкая цена благодаря использованию светодиодов и ЖК-дисплея;
- недорогие расходники и запчасти;
- большой выбор моделей для любой задачи.
Минусы:
- менее точная печать: некоторые машины подходят для создания мелких сувениров, а вот для ювелирных изделий их точности не хватает;
- как и в DLP-технологии, возможна паразитная засветка;
- скорость печати ниже, чем у DLP. Светодиоды слабее проектора, а время засветки слоя больше. Тем не менее LCD-принтер печатает быстрее SLA.
Как настроить 3D-принтер
Некоторые модели калибруются автоматически, а другие надо настраивать вручную. Вот основные этапы самостоятельной настройки на примере FDM-машины.
Калибровка стола
Чтобы 3D-принтер в процессе не «съезжал», надо правильно откалибровать стол. Это делается при помощи регулировочных болтов: нужно выставить одинаковое расстояние между столом и соплом. Здесь нужен щуп — вместо него подойдёт канцелярский нож:
- нагрейте стол;
- туго закрутите калибровочные болты внизу печатной поверхности;
- отправьте стол и экструдер в нулевое положение;
- при помощи меню переместите сопло так, чтобы оно находилось над калибровочным винтом;
- отрегулируйте промежуток между рабочей поверхностью и соплом так, чтобы щуп оказался плотно зажат;
- переместите экструдер в центр стола, щупом проверьте зазор между столом и соплом. Он должен быть таким же, как над калибровочными болтами.
Калибровка стола. Фото из интернета
Загрузка пластика в 3Д-принтер
После настройки печатной платформы можно загружать пластик. В некоторых 3D-принтерах этот процесс автоматизирован. Итак:
- нагрейте экструдер до температуры плавления пластиковой нити;
- когда он нагреется, отожмите рычаг, который прижимает пластик, и продавите пластик в экструдер, пока он не начнёт течь из сопла;
- после загрузки филамента (материала) продавите пластиковую нить, пока из сопла не выйдут остатки старого пластика.
Настройка параметров печати
Чтобы получить аккуратную 3D-модель, важно правильно подготовить её при помощи специальной программы — слайсера. Это очень важная составляющая успеха, ведь именно слайсер «нарезает» вашу цифровую деталь на слои, по которым её будет печатать принтер.
Настройки температуры стола
Подогрев стола нужен, чтобы деталь не оторвалась от поверхности во время печати. Но слишком высокая температура — тоже плохо: нижние слои могут деформироваться под весом растущей модели. Иногда производители сами рекомендуют температуру стола в инструкции или на сайте.
Настройки температуры сопла
Нужная температура обычно указана на катушке с пластиком, но лучше напечатать пару тестов. При слишком низкой температуре модель будет расслаиваться и трескаться из-за плохой адгезии (сцепления частиц между собой). А если жар слишком высокий, пластик не успевает остывать, и предмет получается оплавленным.
Калибровка 3D-принтера моделями
Кубик XYZ. Фото из интернета
Это самый простой способ настройки с помощью специальных форм, по которым можно определить разные огрехи печати.
- Кубик XYZ. Базовая проверка работы принтера и экструдера. Его можно открыть в слайсере и посмотреть по слоям, как он будет печататься. Сначала надо напечатать кубик XYZ на первчиных настройках, затем попробовать другие и сравнить качество.
- Температурная башня. Проверка оптимальной температуры сопла. Не забудьте указать значения температур для каждого этажа! После распечатки оцените, какой этаж распечатался наиболее удачно, и далее используйте именно такую температуру сопла.
- Башни проверки ретракта. С этой фигурой можно проверить, как принтер останавливает подачу пластика перед тем, как переместить сопло. Если ретракт настроен неправильно, на предмете появятся «нитки» между башнями. При печати сопло всё время перемещается между башнями — именно так можно «нащупать» нужные настройки для каждого этажа.
Эти калибровочные модели можно найти на сайте: teachingtechyt.github.io
3Д-печать и экология
Побочный продукт 3D-печати — это отработанный пластик. Он попадает на свалки и создаёт дополнительную нагрузку на окружающую среду. Кроме того, 3D-принтеры расходуют много электроэнергии. Учёные считают, что самый популярный ABS-пластик довольно токсичен. Этот материал долго разлагается в почве. Более экологичным считают PLA-пластик: он в большей степени биоразлагаем.
И всё же, 3D-печать — это способ производства с минимальными отходами. К примеру, термопластические материалы можно расплавить; охладить, чтобы они стали твердыми; снова расплавить, отвердить и так далее. Таким образом производственные отходы идут в дело повторно. Например, коэффициент использования материала (КИМ) при изготовлении методом литья — не больше 40%. А для аддитивных технологий этот показатель близится к 100%.
А я смогу?
3D-инжиниринг называют профессией будущего. Если вы думаете, что от вас оно далеко, потому что «я гуманитарий», «у меня была двойка по черчению» и так далее — вы ошибаетесь! Научиться 3D-печати может практически каждый. Главное — освоить программу трёхмерного моделирования и знать химические и физические свойства разных материалов. В сети есть много информации и видеороликов по 3D-печати. Но без практики и системы учиться можно очень долго. А практика напрямую зависит от наличия принтера. То есть сначала вам надо его купить. Но ведь вы не знаете, какая именно машина нужна под ваши задачи. Можно, конечно, набрать много аппаратов и пытаться освоить процесс самому. Но шансы потеряться во всём этом, потратить уйму денег и в итоге бросить — очень велики. Сегодня из каждого утюга кричат: «3D-печать — проще некуда», но это не так. Чтобы делать стабильно качественные изделия, оптимизировать затраты и ещё в итоге получать с вашего дела прибыль, учиться надо у профи на реальном производстве.
Ателье 3Д-услуг и площадка для обучения 3Д-печати в Русской Академии Ремёсел
Ещё не решили, хотите ли изучать индустрию 3D-печати? Предлагаем познакомиться с этой сферой поближе и узнать ответы на главные вопросы, которыми задаётся каждый новичок:
- Какие специальности востребованы сегодня?
- Кем и куда можно устроиться работать?
- Какая будет зарплата?
- Как начать своё дело?
- Какие бизнес-идеи точно сработают?
Обо всём этом мы рассказали в нашей статье: здесь самая актуальная информация и практические советы профильных экспертов — инженеров и предпринимателей. Читайте, вдохновляйтесь и действуйте. 3D-печать — это не только перспективно, но и безумно интересно!
Материал подготовила Масягутова Виктория, специально для Русской Академии Ремёсел
