Классификация 3D принтеров

Появление 3d принтеров открыло новую эру технологий – теперь стало возможным напечатать объемный предмет. Назначение получаемых трехмерных изделий может быть самое разное – от игрушек до медицинских протезов. В основу работы берется цифровая модель (или чертеж), которая потом воплощается в свою точную реальную копию. Подобные устройства встречаются разной мощности и комплектации, в домашних и промышленных вариантах. Существующие на сегодняшний день виды 3д-принтеров применяют самый различный материал, чтобы получить объемную печать.

Технологии трехмерной печати

В отношении используемых технологий применяется специальная классификация, которую будет полезно знать каждому будущему владельцу 3д-принтера:

• FDM;
• Polyjet или MJM;
• LENS;
• LOM;
• SLA;
• SLS;
• 3DP;

FDM

Это самая популярная технология в рассматриваемых устройствах. При FDM (fused deposition modeling) агрегат будет выдавливать расходник через специальное сопло слой за слоем. Сюда входят:

• мэйкерботоподобные устройства;
• Stratasys-принтеры;
• агрегаты, используемые в кулинарии (заправкой идут сырные продукты, тесто, глазурь);
• медицинские аппараты (медицинский гель с живыми клетками).

Polyjet

Интересен и MJM (Multi Jet Modeling), который подразумевает методику многоструйного моделирования. Процесс похож на обычный струйный из-за подачи материала через небольшие сопла (их может быть несколько сотен). После застывания предыдущего слоя и будет формироваться заданная трехмерная модель.

Расходниками являются фотоплимеры и пластик, подходит и специальный воск. Обычно такую объемную печать применяют в изготовлении медицинских имплантатов, зубных протезов и слепков.

Реально получение многоцветных вариантов, а также объектов с разными свойствами, например, эластичные в сочетании с твердыми.

Есть и недостатки использования такой технологии – очень дорогой исходный материал и хрупкий результат. Применение обычно находит в медицине и промышленном прототипировании.

LENS

При LASER ENGINEERED NET SHAPING выдутый из сопла расходник сразу попадает под фокус лазерного луча, что чревато мгновенным спеканием. Использование металлического порошка помогло в изготовлении объектов из стали и титана, что дало возможность эксплуатации 3Д-принтеров в промышленности. Многие сплавы реально перемешивать и получать непосредственно в процессе. Так, например, получают турбиновые титановые лопатки для турбин.

LOM

С Laminated Object manufacturing тонкие и уже проламинированные листы вырезаются лазером, склеиваясь, спекаясь или спрессовываясь в трехмерный объект. Так можно напечатать пластиковые, алюминиевые и бумажные 3D-объекты.

Кстати, исходником для алюминиевых объектов идет соответствующая фольга – её будут «спекать» при помощи ультразвуковой вибрации.

Несмотря на легкость исходного материала, бумажные модели получаются очень прочными, а их себестоимость выйдет практически копеечной. Но сразу надо приготовиться к тому, что такое изделие будет сопровождаться большим количеством отходов. Хотя и последнего можно избежать, если расположить на одном листе сразу несколько небольших объектов.

SLА

Чтобы понять, как работает Stereolithography, надо представить ванну, наполненную жидким полимером. Проходящий по ее поверхности лазерный луч полимеризирует слой. После готовности одного из слоев, платформа опустит деталь, чтобы жидкий полимер заполнил пустоты. Потом ситуация меняется: деталь поднимается наверх, а сам лазер располагается внизу.

При работе таким методом нужна обработка поверхности, чтобы отшлифовать и удалить лишний материал. Иногда результат дополнительно запекают в ультрафиолетовых духовках.

Подобный принтер нельзя держать дома:

• из-за токсичности фотополимера;
• по причине дороговизны обслуживания.

SLS

Selective laser sintering напоминает вышеописанный вид технологий, но здесь вместо фотополимера используется запекаемый лазером порошок. Можно не опасаться, поломки в процессе работы детали, а в качестве расходника вполне вероятно использовать сталь, нейлон, бронзу, титан, керамику, стекло, литейный воск и другие материалы.

Технология подразумевает создание сложных вещей. Она отлично подходит, например, для создания каких-либо прототипов – например, для ювелирных изделий. Незапеченный порошок будет служить поддержкой для нависающих элементов – значит, не надо формировать какие-то специальные поддерживающие корпусы.

3DP

3DP-метод заключается в нанесении на материал клея, за ним слоя свежего порошка и далее всё по новой. В результате получается похожий на гипс материал (sandstone). Если в этот клей добавить краску, то получатся цветные объекты. Технология безопасна для бытового и офисного использования. Для материалов подойдут стеклянный, костный, резиновый и даже состоящий из древесных опилок порошки.  Можно делать и съедобные фигурки (с использованием шоколадного или сахарного порошков) – только в этом случае берется специальный пищевой клей.

Не обошлось и без недостатков – конечный результат может иметь грубую поверхность и невысокое разрешение.

Классификация принтеров по типу используемых материалов

Заправляемый в технику расходник определяет типы 3d-принтеров. Лазерные агрегаты спекают и ламинируют порошок. Струйный 3д-принтер поочередно склеивает слои используемого исходного материала, затем происходит его спекание. Следующий шаг – охлаждение. Здесь могут использоваться виды фотополимерного пластика, смол, порошков, силикона, металла и восковые компоненты. Рассмотрим, как работает такая техника на разных материалах.

Порошок

Принцип действия техники проявляются в следующих действиях:

• исходя из предоставленной модели, печатающая головка начинает наносить в определенные места специальное связующее вещество;
• на него тонким валиком будет нанесен порошок, который спекается с веществом.
• далее процесс повторяется.

Подобное устройство вполне реально собрать собственными руками – достаточно иметь необходимые комплектующие. Еще один бонус «в копилку» такого аппарата – работа с пудрой из металла.

Гипс

Гипсовый вариант тоже заправляется порошками, но уже соответствующими – от гипса до шпаклевки, цемента и тому подобных. Обязательно наличие связующего вещества. Такие принтеры чаще всего применяются в создании интерьерных украшений. Изделия здесь получаются самые разнообразные.

Фотополимер

Для изготовления объектов в этом случае используются жидкие фотополимеры. Интересен принцип создания фигурок. Ориентируясь на компьютерную модель, ультрафиолетовый лазер будет засвечивать определенные места. В дальнейшем они будут затвердевать под действием ультрафиолета. Такая засветка будет осуществляться и через специально подготовленный фотошаблон – только здесь будет применяться ультрафиолетовая лампа. Шаблонная заготовка будет меняться с каждым новым слоем.

Если техника выбрана стереолитографическая, то можно наслаждаться высокой точностью выполнения объемной печати. Единственный минус – низкая скорость работы, но если точность является актуальным показателем, то на время выполнения не обращают внимания.

Воск

Подобный аппарат печатает при помощи воска – материала с низкой плавящейся температурой. В этом свойстве есть свой бонус – легкость работы. Вот почему четкость и точность выполненных контуров является безукоризненной.

Как добиться цвета

Чтобы сделать объекты самой разной цветовой гаммы, в технике используется специальная головка. Здесь присутствует сразу несколько экструдеров – компонентов, способных плавить и наносить используемый расходный материал.

В большинстве своем подобные агрегаты задействованы при изготовлении детских игрушек. Еще одно предназначение – создание дизайнерских украшений.

Есть еще один способ, именуемый «сублимация». Этот вид принтера используется, если необходимо перенести изображение (например, с фото) на рельефную поверхность. Для осуществления задуманного в определенных местах нагреваются красители – из-за температурного воздействия происходит испарение, и остается нужный рисунок.

Как выбрать 3D принтер

Выбирая принтер, в первую очередь надо определиться с тем, по какой технологии происходит печать. Прибор любительского уровня, а только такой потенциально может купить себе среднестатистический потребитель, а не целое предприятие, работают на основе разработки под названием Пластик Джет (PJP), в некоторых источниках она обозначается как Fused Deposition Modeling (FDM) или Fused Filament Fabrication (FFF). По сути это одно и то же.

Виды материалов для любительской печати

В основном для печати на устройствах такого типа используется пластик с разными характеристиками. Фасуется он в виде пластикового шнура, намотанного на катушку, или нарезанного соломкой. Массово используется пластик двух видов: ABS и PLA.

АБС пластик безопасен, не токсичен, подходит для детских изделий, более того, с ним можно работать в присутствии детей. Изделия из него прочные, долго служат. Недостаток пластика – теряет товарный вид на солнце и на сильном морозе. Его чаще используют в профессиональном изготовлении деталей.

ПЛА пластик (полилактид) более хрупкий, служит не так хорошо. Зато он более пластичен и дает больше возможностей для сложных форм. Он является натуральным продуктом, так как производится из кукурузы и сахарного тростника. В утилизации он экологичен, на 100% разлагается на безопасные компоненты. Изделия из PLA устойчивы к истиранию, держат свою геометрию. Следовательно, пластик отлично подходит для движущихся элементов.  В целом, это скорее любительский вариант пластика.

Альтернативные материалы для 3D  печати

Помимо пластика для работы на таких принтерах используют следующие материалы.

1. Нержавеющая сталь. Используется только в профессиональном оборудовании. Дает большие возможности для изготовления деталей.
2. Дерево. По факту не дерево, а смесь связывающего полимера с деревянной добавкой.  Этот материал стоит очень дорого, в работе особых навыков не требует. Изделия из него «теплые», внешне не отличить от дерева.
3. Смола тоже стоит дорого. Из нее можно распечатать детали высокой точности, с великолепным качеством поверхности – гладкие и прочные. Под действием солнца смола теряет прозрачность.
4. Нейлон. Применяется в основном для изготовления элементов промышленного и медицинского назначения.

Важно! Покупая материал для печати, следует учесть, что формат катушки и толщина шнура должны совпадать с рабочими характеристиками принтера.

Характеристики 3D принтеров

Чтобы выбрать принтер или провести анализ для выявления лидера, надо понимать, какие характеристики устройств являются ключевыми.

1. Область печати. Этот параметр определяет максимальный объем деталей, которые возможно создать с помощью данного оборудования. В документации указывается или объем в куб.см или предельные линейные размеры в мм.
2. Разрешение печати (слоя). Это толщина слоя, которым наносится материал. Чем выше разрешение, тем тоньше наносится пластик, рельефы спокойные, поверхность качественная. Ниже эта величина – детали выходят более «топорными», без тонкой проработки. В некоторых приборах данный параметр может выставляться оператором.
3. Экструдер. Это рабочий узел принтера, который отвечает за подготовку (разогрев) и выдачу материала. Пластик (или другое сырье) размягчается под действием высоких температур в сопле и подается на печать (экструдируется). В состав данного узла входит непосредственно сопло, транспортер для шнура (нити пластика), температурный контролер и охлаждающий механизм. 3D принтеры с одним экструдером за проход могут работать только одной нитью. Чтобы появилась возможность многоцветной печали, в приборе должно быть, по крайней мере, 2-3 экструдера. В промышленных устройствах возможен вариант одного узла с двойным соплом. Это дорого, и бытовые устройства так не оборудуются.
   

   3D принтер с двумя экструдерами

4. Принтеры могут «коннектиться» с внешними устройствами (компьютером, смартфоном или просто внешней памятью) посредством USB и/или Wi-Fi. Не всегда это является обязательным условием для работы.
5. Прошивка принтера (программное обеспечение). По умолчанию оно является предустановленным. В его обязанности входит распознание, обработка документов в формате stl для последующей печати. Создаются же эти файлы в профессиональных программах, вроде Скетчап и Autodesk Inventors Fusion.
6. Дополнительные функции. Эргономика, дизайн и другие детали не вмешиваются в рабочие процессы в принтере, но часто определяют его стоимость.

3D принтеры могут поставляться как самостоятельный прибор (Assembled) или в формате конструктора, когда пользователь сам его собирает (DIY). Второй вариант стоит значительно меньше.

Резюмируя сказанное

3D-печать привлекает большое количество людей, интересующихся ею из-за личного любопытства или в производственных целях. Для тех, кто не имеет никакого опыта в данной сфере, не составит труда обучиться искусству объемной печати, как на виртуальных, так и реальных курсах. Важнее будет другое: для каких конкретно целей планируется покупать подобный аппарат. Правильная расстановка приоритетов в сочетании со знанием используемой для той или иной области применения технологии позволят использовать технику на все сто процентов.