Как работает 3D-принтер

Как работает и что такое 3d принтер – определение, характеристики. Описание возможностей 3д принтера, кто изобрел – рассказывают специалисты GeekBrains.

Состав 3D-принтера

Его образуют следующие составляющие:

  • корпус устройства – поз.1;
  • для крепления к корпусу направляющие – поз. 2, служащие для перемещения головки – поз.3;
  • двигатели – 4;
  • поверхность, на которой изготавливаемый предмет вращается- 5;
  • управляющая электроника — 6.

3D принтер

 
3D-печать распространена повсеместно. Она позволяет создать что угодно — от прототипов всевозможных изделий, до функциональных частей реактивных двигателей самолетов и космических аппаратов, от канцелярских принадлежностей и автозапчастей, до шоколадок и сувениров.

01.jpg

Но, как именно работают 3D-принтеры, как они создают трехмерные объекты любой возможной формы — знают еще не все. Если вы хоть раз задавались этими вопросами, то перед вами — самое простое объяснение 3D-печати.

Для чего нужен 3D-принтер 

3D-принтеры печа­та­ют объ­ём­ные вещи из пла­сти­ка или дру­гих мате­ри­а­лов. Их мож­но исполь­зо­вать в быту или про­из­вод­стве. Напри­мер, вот что мож­но напе­ча­тать на 3D-принтере:

Для чего нужен 3D-принтер

Кор­пус для батареек. 

Для чего нужен 3D-принтер

Све­то­ди­од­ную лам­пу на шарнирах. 

Для чего нужен 3D-принтер

Лам­пу в сти­ле Minecraft. 

Как работает 3D-принтер

Модель ста­рин­но­го замка. 

Материалы для печати

Ими являются нити пластиковые, которые могут быть любого цвета, а также отличаться свойствами: имитировать различные породы древесины, песчаника, камня и пр. Они намотаны на специальные катушки

За самые дешевые нити нужно заплатить 500 грн. за кг. Более интересные стоят дороже.

3D принтер

Помимо них используют:

  • поликарбонат;
  • нейлон;
  • полиэтилен:
  • порошки и др.

Общие принципы 3D-печати

Принцип 3D-печати по любой существующей технологии — создание объемных объектов из совокупности плоских слоев.

Цифровая модель изделия разделяется на слои специальной программой — слайсером, а принтер печатает эти слои, один на другом, составляя из них трехмерный объект. Так, из множества слоев, получается объемная деталь.

Общий принцип один, но технологии различаются; самая распространенная и доступная среди них — FDM.

FDM

Моделирование методом послойного наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF) — самый популярный и массовый тип 3D-печати.

02.jpg

Стандартное FDM-устройство работает как термоклеевой пистолет управляемый роботом, что не удивляет, ведь разработка технологии FDM когда-то начиналась с опытов с термоклеем. Пластиковый пруток проталкивается через горячее сопло, где он плавится, а выходя из него укладывается слоями. Процесс повторяется снова и снова, пока не появится готовый 3D-объект.

 

Единственное отличие в том, что 3D-принтеры используют не стержни термоклея, а пластиковый филамент намотанный на катушки.

03.jpg

Самые распространенные материалы для FDM (FFF) — пластики ABS и PLA.
 

Пластиковая нить, она же филамент, выпускается в такой форме для того, чтобы она могла легко плавиться при заданной температуре, но очень быстро застывать — после охлаждения всего на пару градусов. Именно это и позволяет печатать 3D изделия со сложной геометрией с высокой точностью.
 

04.jpg

Проще говоря, 3D-печать отличается от традиционной 2D-печати только тем, что повторяется снова и снова, создавая слой за слоем, один на поверхности другого. В конце концов, тысячи слоев образуют 3D-объект.
 

05.jpg

 
FDM-принтер на примере MakerBot Replicator 2

Метод послойного наплавления термопласта

Большинство 3Д принтеров работает с термопластиком, в том числе с полилактидом. Он отличается природным происхождением и неспособностью выделять вредные вещества. Работа заключается в подаче тонкой нити вязкого пластика в трубу сопла. Она и формирует необходимый элемент.

Метод послойного наплавления термопласта

Метод послойного наплавления термопласта

Как устроен 3D-принтер

Общая схема, по которой работают все 3D-принтеры, основана на возможности линейно двигаться в трех измерениях.

Приборы оснащают высокоточными шаговыми двигателями и контроллером, отвечающим за порядок перемещения этих двигателей.

Автоматизированная система передвигает печатающую головку, в нужный момент выдавливая материал (например, расплавленную пластмассу).

Слой за слоем создается фигурка, изначально заложенная в программу.

В основе лежит принцип работы «картезианского робота» (устройство, способное передвигаться по картезианским координатам, более известным каждому школьнику, как Декартовы координаты – X, Y, Z).

История появления 3D принтера - изображение 16

Примерная схема печатающей головки 3d принтера

  • Экструдер. Именно эта деталь чаще всего совершенствуется в новых моделях и считается самой сложной и тонкой частью механизма. Состоит из термальной головки и привода, выдавливающего нить пластика. Работает так: в принтер заправляется катушка с нитью, привод разматывает и выталкивает ее, подавая к термальной головке (называемой также камерой). Головка обычно представляет собой нагреваемый алюминиевый элемент, который расплавляет нить. В полужидком состоянии вещество выдавливается через отверстие печатающей головки.
  • Линейный двигатель. От его разновидности зависит скорость печати 3D-принтера и долговечность устройства. Для каждой оси координат используется отдельный гладкий стержень, работающий вместе с подшипниками. Подшипники бывают пластиковыми, стальными, бронзовыми и т.д. Бронзовые сложнее всего калибровать во время сборки, но зато они менее шумные.
  • Фиксаторы. Чтобы линейные приводы не выходили за пределы рабочего поля, нужны ограничители – фиксаторы. На функциональность работы они не влияют, но их наличие делает печать значительно более точной и аккуратной. Встречаются модели с оптическими или механическими фиксаторами.
  • Платформа. Поверхность размером 100-200 кв.мм., на которой будет создаваться готовая фигура. Производители обычно делают платформу подогреваемой – это нужно, чтобы не допустить трещин или разрывов на модели, обеспечить сцепление между отдельными слоями, а также между первым слоем и самой платформой. Площадка изготавливается обычно из алюминия или стекла – вещества с хорошей проводимостью тепла.

Технология SLA

Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает.

sla-hd-printer-7

В качестве фотополимера могут использоваться самые разные материалы. Их физико-механические характеристики могут сильно различаться между собой. Однако ни одному производителю пока не удаётся создать действительно прочный материал. Характеристики смол по прочности сравнимы с эпоксидной смолой.

SCI-Duffy-Pic-2-SLA

После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.

SLA

Можно ли применять напечатанные изделия

Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью. 

retina-b60b15f3360b78c48bc8fd77fe45c897.jpg

Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today

Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:

  • механическая обработка — шлифовка вручную, срезание заусенцев;
  • химическая — погружение в ацетон, пескоструйная обработка, нанесение спецраствора кисточкой. 

Области применения 3D-печати

Технология нашла применение практически во всех сферах деятельности человека:

  • образовании;
  • архитектуре;
  • науке;
  • машиностроении;
  • медицине;
  • кулинарии;
  • приборостроении;
  • производстве одежды и обуви.

Управление процессом объемной печати - фотография 18

Где можно применить 3D-принтер - фотография 19

Шоколадный 3d принтер

Брать или не брать — вот в чем вопрос - фото 20

Пицца, распечатанная на 3d принтере

Как работают 3D принтеры - фото 21

Макет дома, распечатанный на 3d принтере

Что такое 3D-печать и как устроен 3D-принтер - изображение 22

Автомобиль, распечатанный на 3d принтере

Polyjet

11.jpg

Главное преимущество технологии Polyjet в ее мультиматериальности — многие Polyjet-принтеры способны печатать объект большим количеством различных материалов одновременно, что позволяет создавать изделия состоящие из участков с разными механическими и оптическими свойствами, то есть — разной твердости и цвета. Это фирменная технология компании Stratasys.

Пример: принтер Stratasys и напечатанные на нем кроссовки.
 

12.jpg

Polyjet 3D-принтеры распыляют крошечные капельки фотополимерной смолы на поверхность и полимеризуют их ультрафиолетовым излучением.

 
Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет создан объект. В отличие от FDM-принтеров, Polyjet-устройства могут наносить материал из многочисленных сопел одновременно.

Polyjet-принтер на примере Stratasys J750
 

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Выделяют несколько схем 3D-печати, исходя из перемещений платформы и печатающей головки, которые могут двигаться относительно друг друга в различных плоскостях.

Существует четыре основные схемы печати:

  • дельта,
  • экструдер перемещается по осям Х и Y,
  • экструдер меняет положение в пространстве по осям X и Z,
  • экструдер движется по осям X, Y и Z.

I схема

Платформа находится в неподвижном состоянии, положение по осям x, y, z меняет только экструдер. Особенность модели — наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трёх стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещённом на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Плюсы: высокая скорость печати, хорошая точность.

ЗагрузкаДельта

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка находится над платформой и способна двигаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.

ЗагрузкаЭкструдер движется по осям Х и Y

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как в предыдущем типе, способен передвигаться влево или вправо, а также менять своё положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, способна двигаться вперед или назад не меняя высоты.

ЗагрузкаЭкструдер перемещается по осям X и Z

IV схема – экструдер движется по осям X, Y и Z

Последняя схема предполагает использование неподвижной платформы. Как в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трём осям [x, y, z], однако в данном случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

Что дальше

Даль­ше тех­но­ло­гия побе­дит все про­бле­мы мла­ден­че­ства и будет печа­тать вам еду, мебель и внут­рен­ние орга­ны. Необя­за­тель­но при нашей жиз­ни, но наши дети и вну­ки навер­ня­ка застанут.

Редак­ту­ра:

Мак­сим Ильяхов

Худож­ник:

Даня Бер­ков­ский

Кор­рек­тор:

Ири­на Михеева

Соц­се­ти:

Олег Веш­кур­цев

Один мальчик подписался на рассылку Кода и постепенно стал программистом

Основы программирования без заумия и снобизма. Просто и понятно о том, как получить новую профессию

Некорректный формат почты

Спасибо!
Проверьте почту

Технологии

Наиболее распространены такие:

  • быстрое пропитывание;
  • стереолитография;
  • лазерное спекание.

Быстрое пропитывание

Независимо от нюансов, основано изготовление с помощью этих устройств на быстром пропитывании. Данная концепция предполагает быстрое формирование опытных образцов для демонстрации возможностей, которые дает будущий продукт.

Метод это известен под названием «аддитивное производство», в корне отличающееся от традиционных методов изготовления изделий.

Технология предполагает не удаление материалов, как это бывает при фрезеровании, ковке, сверлении и т.д., а послойное наращивание, т.е. постепенное увеличение массы.

Развитие трехмерной печати в настоящее время идет в нескольких направлениях:

  • STL – стереолитография;
  • FDM – использование термопластов;
  • SLS – спекание лазером.

Второй метод наиболее широко применяем.

Способствую этому такие факторы:

  • применение недорогих пластиков;
  • техника, простая в эксплуатации.

Работа с терпомпластами, предусмотренная этой технологией, включает использование полилактида, получают который из кукурузы и тростника сахарного. Поэтому, его основным преимуществом считается экологическая чистота.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...