Мы стремимся рассказать широкой аудитории о возможностях 3D печати, чтобы больше украинских компаний могли воспользоваться преимуществами новых технологий. Поэтому подготовили краткий путеводитель по 3D печати, в котором описаны принципы работы и перечислены основные виды технологии быстрого прототипирования. Мы надеемся, что это поможет вам лучше понять 3D печать и станет трамплином для вашей креативности.
Готовы увидеть процесс 3D печати? Короткий ролик о нашей работе:
Что такое 3D печать?
Изобретенная ученым по имени Чак Хулл в далеком 1986 году, 3D печать — процесс чтения цифровой виртуальной 3D модели с последующим построением физического объекта. В то время, как Хулл основал крупнейшую компанию в мире, его изобретение работало исключительно на технологии, названной Стереолитографией (SLA). С тех пор были разработаны многочисленные альтернативные технологии 3D печати, такие как Моделирование методом наплавления (FDM), Наплавление нити (FFF), Выборочное лазерное спекание (SLS), PolyJetting и многие другие, хотя все они основаны на послойном создании объектов.
Первый в мире 3D принтер “SLA-1”, 1983 год.
Не смотря на множество технологий 3D печати, наибольшее распространение получили SLA и FDM из-за невысокой стоимости и сравнительной простоте принтеров. Мы рассмотрим эти технологии ближе и вернемся к остальным позже.
Как работает 3D принтер?
Это широкий вопрос, на который мы частично ответили выше. Чтобы действительно понять как работает 3D принтер, будет правильно разобрать отдельные технологии, которые задействованы в 3D печати.
Как и двигатели автомобилей похожи между собой, но некоторые работают на бензине, дизельном топливе, а некоторые и вовсе на солнечной энергии, также и 3D принтеры используют разные технологии, но в итоге выполняют те же самые функции. Прежде чем мы разберем каждую из этих отдельных технологий, нужно понять основные принципы передачи виртуальной 3D модели на компьютере к 3D принтеру.
Первый этап — подготовка модели к 3D печати
Компьютеры общаются на собственном языке и не могут обратиться по-человечески к 3D принтеру с просьбой: “Дружище, напечатай мне игрушечного медведя”. Люди самостоятельно создают виртуальные трехмерные модели нужной формы при помощи специальных программ для моделирования и проектирования. Форма виртуальной модели задается сеткой, внутри которой находится объем самого тела. В файле с моделью записаны координаты каждой вершины этой фигуры (точки пересечения линий сетки), таким образом компьютер понимает, на каком расстоянии друг от друга находятся точки тела.
Специальная программа 3D принтера, которая называется слайсер (от английского “slice” — резать), разрезает трехмерные модели на отдельные плоские слои, которые затем будут напечатаны один за другим. В программе указывают скорость и точность печати, температуру и прочие параметры. Настройки передаются специальными командами в формате GCODE, которые выполняет 3D принтер.
Пример GCODE, в котором указаны координаты перемещения печатающей головки по трем осям
После подготовки 3D модели запускают 3D принтер, загружают необходимый тип пластика и приступают к печати. Команды GCODE передаются принтеру либо напрямую с компьютера через обычный USB кабель, с возможностью корректирования процесса в реальном времени, либо создав специальный *GCODE файл, в котором будет весь необходимый перечень команд, позволяющий принтеру подготовиться к печати, напечатать модель и завершить печать самостоятельно и практически без вмешательства со стороны.
Технология FDM
Моделирование методом наплавления или Fused Deposition Modeling (FDM) было изобретено ученым по имени Скотт Крамп спустя несколько лет после того, как Чак Хулл изобрел лазерную 3D печать. Крамп старался извлечь выгоду из разработки и в 1990 году основал компанию Stratasys, которая запатентовала эту технологию под брендом FFF. По этой причине самая самая популярная технология 3D печати FDM часто упоминается как Fused Filament Fabrication (FFF)
Принцип, по которому работает эта технология, довольно прост. Именно поэтому 95% всех настольных 3D принтеров используют FDM или FFF. Пластик, такой как PLA или ABS, в форме нити подается в экструдер, сердце принтера. В экструдере пластиковая нить разогревается и переходит в жидкое состояние. Механические части принтера следуют командам из файла GCODE и переносят экструдер в нужное положение строго по указанным координатам. Когда экструдер достигает заданную позицию, пластик выходит из горячего сопла, приклеиваясь к столу принтера или предыдущим слоям.
Спустя мгновения после печати пластик твердеет и напечатанная модель становится жесткой. Важно следить за правильной температурой пластика, основания принтера и воздуха в помещении, иначе из-за неравномерного остывания в детали могут накапливаться внутренние напряжения, что приводит к деформации или потере прочности.
Конструкции поддержки
Поскольку 3D принтер печатает модели послойно, для каждого нового слоя необходима опора на предыдущий, иначе новый слой пластика оказывается в воздухе и прогибается. Иногда форма моделей такова, что нависающие части модели не имеют достаточной опоры, в таких случаях программа принтера автоматически добавляет конструкцию поддержки из материала, который растворяется в специальной жидкости. После печати конструкция поддержки удаляется.
Удаление пластика поддержки
Внутреннее заполнение и толщина стенок моделей
В зависимости от требуемой прочности изделия, мы устанавливаем разную степень заполнения внутреннего пространства моделей. Начиная от заполнения 0%, когда принтер печатает только оболочку модели, и заканчивая заполнением 100%, когда деталь полностью заполнена пластиком. Для прототипов рационально использовать заполнение 20%, с увеличением заполнения растет и вес изделия, вместе с ним стоимость 3D печати, с уменьшением деталь становится слишком хрупкой.
Внешний вид заполнения 10%, 30% и 50%.
Толщина стенок детали регулируется отдельно. Для крупных деталей она обычно составляет 1 миллиметр.
Короткое видео о том, как работают наши FDM принтеры:
Технология SLA или стереолитография
Как мы упомянули выше, это была самая первая технология 3D печати, которая была изобретена в 1986 году компанией 3DSystems, обладателем многих патентов. Как следствие, технология была дорогой и использовалась реже, чем альтернативная FDM или FFF.
В основе SLA 3D печати лежит воздействие проектора или лазера на жидкий фотополимер. Лазерный луч направляется на зону, где будут расположены стенки модели. Под воздействием луча жидкость затвердевает, после чего готовые слои приподнимаются над уровнем жидкости и процесс повторяется, пока все слои модели не будут напечатаны.
Технология SLS или выборочное лазерное спекание
Данная технология спекает материалы при помощи мощного лазера. Слой за слоем лазер рисует на поверхности порошка проекцию модели в разрезе. Под воздействием лазерного луча, отдельные частицы материала спекаются, образую цельную модель. Технология позволяет работать с пластмассы, керамику, стекло и прочее. В случае с металлами, лазер спекает смесь металлического порошка и специального клея. После окончания 3D печати металлом, готовую модель помещают в печь, которая окончательно сплавляет частицы металла и выжигает соединяющий клей.
Такая технология печати в десятки раз дороже FDM, так как цена комплектующих, расходных материалов и самих принтеров существенно дороже. Такие принтеры требуют бережного ухода и практически неремонтопригодны. При печати фотополимером модели потребуют дополнительную обработку — полимеризацию в специальной камере, где под действием ультрафиолета модель окончательно затвердеет и будет готова. Что мы получаем взамен? — точность, в 4-5 раз большую, чем у FDM технологии, а так же возможность изготавливать тонкие и хрупкие модели со сложными нависающими элементами, которые невозможно воссоздать при помощи FDM.
