Что такое 3D печать и как работают 3D принтеры?

Компания Top 3D Shop всегда стремится к просвещению широкой публики в вопросах 3D печати. Поэтому мы решили создать краткое, но вместе с тем содержательное руководство по 3D печати, по тому, как осуществляется такого рода печать и о различных сопутствующих технологиях. Мы надеемся, что с помощью руководства вы кое-что узнаете о данной технологии, а может быть, сами изобретете нечто новое, вдохновленные чудесами науки. По мере появления новых технологий и информации мы будем обновлять данное руководство.

Что такое 3D печать?

Изобретенная Чаком Халлом в 1986 году, 3D печать является процессом создания цифровой 3D модели и превращения этого цифрового файла в физический объект.

Халл основал одну из лидирующих мировых компаний-производителей 3d принтеров, 3D Systems. При этом, его изобретение базировалось исключительно на процессе под названием стереолитография (SLA). С того времени появилось немало других технологий 3D печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM)/ моделирование методом наплавления нитей (FFF), селективное лазерное спекание (SLS), технология PolyJet и другие. Все они опираются на послойное производство и основаны на машинном коде, загружаемом в 3д принтер.

В то время как существует немало технологий, которые могут быть использованы для 3D печати объекта, работа большинства офисных и домашних 3d принтеров, основана на процессах FDM/FFF или SLA, и их проще установить в машину. Мы подробнее расскажем об этих и других технологиях немного позже.

Кроме того, «3D печать» может относиться к «аддитивному производству», особенно когда речь идет об ее использовании в рамках производства, и много людей используют обе эти фразы в одном смысле.

Как работают 3D принтеры?

Это общий вопрос, ответ на который был частично дан в предыдущей части. Вместе с тем, лучший способ понять, как работает 3D печать – это понять различные технологии, связанные с ней. Так же как работа двигателей основана на некоторых одинаковых принципах – они не используют бензин или солнечную энергию, все 3D принтеры не используют одну и ту же основную технологию, но тем не менее способны выполнять одни и те же базовые задачи. Перед тем как перейти к отдельным технологиям, необходимо понять основные принципы переноса 3D модели с экрана компьютера на 3D принтер.

Example of G-code

Примеры G-кода

Компьютеры – не люди; они не могут просто взглянуть на 3D модель и сказать, что печатать своему другу «мистеру 3D принтеру». Здесь много единиц и нулей, т.е. огромное количество двоичного кода. Как только 3D модель создана или просто загружена с хранилища данных, например, Thingiverse, файл (как правило, с расширением 3MF, STL, OBJ, PLY и т.д.) необходимо конвертировать в нечто под названием G-код.

G-код – это цифровой язык ЭВМ, используемый главным образом для автоматизированного производства (как субтрактивного, так и аддитивного). Это язык, говорящий машине, как двигаться. Без G-кода компьютер не сможет найти место, где накладывать, сушить или спекать материал для 3d принтера во время процесса изготовления.

Такие программы как Slic3r необходимы, чтобы конвертировать файлы 3D модели в G-код. Как только G-код создан, его можно направить на 3D принтер с «синькой», в которой прописаны следующие несколько тысяч шагов. Эти шаги в целом составляют законченное изготовление физического объекта. Существуют и другие языки ЭВМ, возможно, многие из них приобретут популярность, но на текущий момент самым важным является G-код.

А теперь разберемся в наиболее популярных технологиях 3D печати:

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)/ Моделирование методом наплавления нитей (FFF):

Моделирование методом послойного наплавления (FDM) изобретено С. Скоттом Крампом несколько лет спустя после того, как Чак Халл изобрел 3D печать. Крамп продолжил коммерциализацию технологии в 1990 году посредством Stratasys, которые официально зарегистрировали термин как свою торговую марку. Именно поэтому к той же общей технологии применимо название «моделирование методом наплавления нитей» (FFF).

В сущности, принцип работы данной технологии довольно прост, и по этой причине 95% всех настольных 3 д принтеров, которые можно найти дома или в гараже, применяют FDM/FFF. Термопластик, такой как PLA или ABS, подается в экструдер и горячий конец, который затем плавит пластик, превращая его в клейкую жидкость. После этого 3d принтер посредством G-кода получает инструкции от компьютера и слой за слоем накладывает расплавленный пластик до тех пор, пока не будет готов объект.

В зависимости от максимальной температуры горячего конца, а также других факторов, помимо ABS и PLA, могут использоваться различные материалы для 3d принтера, включая композитные материалы из двух типов материалов, нейлона и др.

Стереолитография (SLA):

Как мы уже отмечали ранее, это первая технология 3D печати, изобретенная в 1986 году. С тем, что 3D Systems владеют многими патентами, включая патент на данную технологию, срок которого истечет через несколько лет, в данном сегменте рынка наблюдается ожесточенная конкуренция. Это значит, что на технологию была назначена завышенная цена и что она используется реже, чем альтернативные FDM/FFF.

Вместо экструдирования материала через горячий конец, процесс SLA осуществляется с помощью лазера или DLP проектора вместе со светочувствительными полимерами. Объекты печатают в емкости с полимером в то время, как лазер или другой источник света навроде проектора медленно слой за слоем сушит (делает твердым) полимер по мере того, как создается объект. Как правило, для SLA машин характерна большая точность и более привлекательный вид готовых объектов (менее заметна «послойность» объектов) по сравнению с технологией FDM/FFF.

Селективное лазерное спекание (SLS)/ Селективное лазерное наплавление (SLM)/ Прямое лазерное спекание металлов (DMLS):

Все эти три технологии похожи друг на друга, однако у них есть существенные отличия. Мы заметили, что многие используют эти термины в одном смысле, когда, на самом деле, имеются причины применять один конкретный метод, вместо других. Селективное лазерное спекание (SLS) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) являются по сути одной и той же технологией. Разница в терминах основана на использовании разных материалов. DMLS относится к послойному спеканию металлического порошка с использованием луча лазера, в то время как SLS – это тот же процесс, при котором используются неметаллические материалы, такие как пластмасса, керамика, стекло и т.д. Как DMLS, так и SLS плавят металлы не полностью, вместо этого они спекаются или оплавляются вместе на молекулярном уровне. При работе с металлами технология DMLS идеальна для металлических сплавов, поскольку молекулы обладают разными температура плавления, что иногда вызывает проблемы, связанные с невозможностью полного плавления.

С другой стороны, когда мы имеем дело с металлами, состоящими из одного материала для 3д принтера, например, титана, селективное лазерное наплавление (SLM) представляет отличное решение, поскольку лазер способен полностью сплавить молекулы вместе. В настоящий момент все три технологии достаточно дорогостоящие и не по карману многим физическим лицам и даже компаниям малого бизнеса вследствие необходимых лучей высокомощного лазера. Кроме того, необходимо соблюдать меры безопасности, что подразумевает дополнительные затраты со стороны пользователя.

Технология PolyJet:

Технология PolyJet, разработанная израильской компанией Objet совместно со Stratasys в 2012 году, совмещает в себе элементы 2D-печати и стереолитографии. Если говорить в общих чертах, сопла для распыления краски распыляют жидкий светочувствительный полимер так же, как обычные 3д принтеры распыляют чернила на листе бумаги при 2D-печати. Сразу вслед за этим распыленный полимер обрабатывается ультрафиолетом, в результате чего он затвердевает и поверх него наносится следующий слой светочувствительного вещества. Процесс повторяется до получения цельного изделия. В настоящее время Stratasys использует данную технологию в своей линейке популярных устройств под брэндом Connex.

Гипсовая 3D-печать (PP):

В процессе применения данной технологии используются два различных материала: порошковый материал для 3d принтера (например, гипс или крахмал), поверх которого наносятся склеивающие чернила, благодаря чему порошок затвердевает. После того как один слой порошкового материала стягивается, специальное граблевидное устройство наносит на него следующий слой порошка, и так продолжается, пока мы не получим готовый объект. Изначально данная технология была разработана компанией MIT еще в начале 90-х годов, однако в коммерческий оборот она была введена лишь в 1995 стараниями другой компании под названием Z Corporation, которая, в свою очередь, была приобретена в 2011 году группой 3D Systems за 137 миллионов долларов.

Другие технологии:

Новые подходы к 3D-печати появляются едва ли не каждую неделю. Так, одними из последних представленных технологий стали, например, технология многоструйного распыления от HP и технология CLIP от Carbon3D. В условиях разнообразия различных подходов, пожалуй, лишь время способно показать, какие из них являются действительно перспективными и определят облик будущего, а какие окажутся на свалке истории. Поживем - увидим.

Для чего и кем используются технологии 3D-печати?

Хотя изначально печать на 3D принтере задумывалась как технология для создания прототипов, ситуация очень скоро изменилась. Сегодня многочисленные производители, используя методы аддитивного производства, изготавливают как отдельные компоненты, так и непосредственно конечные изделия. Промышленные 3D принтеры находят применение в аэрокосмической промышленности, в медицине, а также при создании самых разных макетов и прототипов. Можно сказать, что уже сейчас технологии 3D-печати тем или иным образом применяются практически в каждой крупной отрасли промышленности на планете.

Медицина:

В последние 2-3 года распечатанные на 3 д принтере модели человеческих органов в силу своей наглядности стали привычным делом в хирургических клиниках по всему миру. И действительно - гораздо легче работать с физическими образцами тех или иных органов, костей или чего бы то ни было еще, когда их можно в буквальном смысле потрогать своими руками, чем рассматривать их двухмерные или трехмерные изображения или на экране монитора.

Вдобавок, сейчас компаниями вроде Organovo проводятся активные исследования, направленные на разработку методов создания полноценных органов, таких как печень или почки, которые впоследствии можно будет пересаживать людям. Так, та же Organovo уже преуспела в создании живой печеночной ткани для токсикологических тестов. При этом они использовали 3D-принтер, работающий под управлением технологии FDM, то есть устройство, которое сегодня любой желающий может установить у себя дома. Следует заметить лишь то, что вместо термопластика ребята из Organovo использовали гидрогель, в состав которого входили живые клетки. Так или иначе, следует ожидать, что лет через 10 подобные исследования начнут приносить реальные дивиденды, а лет через 15-20 мы сможем печатать человеческие органы для трансплантации.

Другой потенциальной областью применения 3D-принтеров в медицине является создание протезов. Такие организации как Enabling The Future уже применяют печать на 3d принтере протезов рук. Стоимость 3d принтера не превышала 2000 долларов. Помимо протезов человеческих конечностей технологии 3D-печати также способствуют созданию протезов для животных, например, титановых челюстей и панцирей для черепах, конечностей для птиц или даже собак.

Аэрокосмическая отрасль:

Так как методы аддитивного производства способны предложить уникальные геометрические решения при создании отдельных элементов конструкций, сегодня такие агентства как NASA или ESA, а также многие другие самолётостроительные компании по всему миру обращаются к технологиям 3D-печати в поисках решений для снижения общего веса тех или иных летательных аппаратов. Подобные геометрические решения вкупе с новыми материалами способны обеспечить невероятную прочность при минимальной массе, что в перспективе сможет помочь экономить на топливе для своих самолетов не только таким компаниям как Boeing и Airbus, но также организациям вроде NASA - при выводе космических аппаратов и/или ракет за пределы атмосферы Земли.

Создание прототипов:

Компании-производители по всему миру используют технологии 3D-печати в целях снижения затрат, экономии времени и увеличения качества выпускаемых продуктов. В отсутствии необходимости разрабатывать прототипы отдельных частей компаниям теперь не нужно ожидать неделями, пока третьи стороны доставят им те или иные формы и прототипы. Таким образом, 3D-технологии вносят неоценимый вклад в работу компаний любых отраслей промышленности - от производства автомобилей, до производства микроэлектроники.

Искусство/образование:

Технологии 3D-печати способствуют воплощению в реальность самых необычных идей. Дизайнерам более не требуется корпеть над своими проектами в формате 2D, склонившись нам экраном компьютера - теперь, благодаря методам цифрового моделирования, они могут придать им физическую форму. Также технологии 3D-печати открывают совершенно новое пространство для творчества детей и подростков, у которых появляется возможность не только более наглядно изучать те или иные предметы, а современные программы для 3d принтера, имеющие интуитивно-понятный интерфейс позволят также легко создавать собственные функциональные изделия и учиться на практике.

В ближайшие несколько лет мы увидим невероятное по своим масштабам распространение технологий 3D-печати в учебных заведениях всех ступеней - от детских садов, до университетов. Не вызывает сомнения также и тот факт, что через 10-20 лет возникнет потребность в специалистах, которых будут заниматься 3D-печатью в тех или иных целях.

Где я могу купить 3D принтер?

Если у вас возникли вопросы: «Как выбрать дешевый 3d принтер?», «Сколько стоимость 3d принтера?», «Какой домашний 3d принтер подойдет для начинающих?», все эти и другие вопросы вы можете задать нашим специалистам, а также ознакомиться в нашей инфографике.

Наш шоурум:

Наши сертификаты:

Почему стоит выбрать Top 3D Shop?

	Мы гарантируем отсутствие брака для Вас и Ваших клиентов: тестируем все принтеры перед отправкой и никогда не отправляем дефектное оборудование.
	Доставка по России бесплатно!
	Бесплатное обучение Вашего персонала по работе и обслуживанию 3D оборудования.
	Бесплатное посещение мастер-класса по 3d-печати и 3d-сканированию в Москве и Санкт-Петербурге. Для регионов предоставляем запись вебинара.
	Собственные сервисные инженеры в штате и запчасти для ремонта всегда в наличии.
	Индивидуальная система скидок при долгосрочном и постоянном сотрудничестве.