Устройство и принцип работы 3D-принтера, основные методы и виды 3D печати

В настоящее время все чаще используются технологии 3D-печати для создания декоративных элементов, деталей машин и аппаратов и различных функциональных узлов. А самые актуальные разработки позволяют печатать целые здания и даже органы и протезы для человека. При этом на рынке можно найти принтеры стоимостью начиная от нескольких сотен долларов, для бытового применения и десятков тысяч долларов – для промышленного использования. В этой статье мы рассмотрим основную информацию о видах и устройстве 3D-принтера.

Виды

Понятие 3D-печати не столь однозначно. Оно подразделяется на много видов, отличающихся по принципу формирования печатаемого объекта и используемых при этом материалов. Какими они бывают?

FDM-печать (Fused Deposition Modeling) – это самый распространенный способ получения объемных объектов в быту, соответственно и самый дешевый вариант объемной печати. В этом случае 3D-принтер печатает расплавленным пластиком деталь по слоям. Чаще всего используются пластики типа PLA и ABS. Толщина 1 слоя печати в среднем находится в переделах 50-100 микрон (в большинстве моделей). Из чего состоит такой принтер мы рассмотрим позже.

SLA-печать (Laser Stereolithography) – звучит как "стереолитография". Установка для этого вида 3D-печати состоит из лазера (это закрепляющий орган, перемещается по штангам с помощью двигателей) основания на котором печатается деталь и ванны с жидким фотополимеров. Принцип работы заключается в использовании фотополимерных слов в качестве материала.

Лазер вычерчивает на смоле каждый слой будущего предмета. После каждого слоя рабочая платформа погружается в ванну с фотополимером на глубину равной толщине следующего слоя. При взаимодействии лазерного луча и фотополимера последний затвердевает в местах где луч лазера попал на его поверхность.

Этот способ позволяет добиться точных результатов, а толщина слоя может достигать всего 15 микрон. Это позволяет использовать стереолитографию в медицинских целях (стоматологии) и ювелирном деле. SLA-технология не требует печати поддерживающих элементов, а после печати изделие погружается в ванну с растворами для очистки модели. Финальным этапом является облучение ультрафиолетом для полной фиксации фотополимеров. Главным недостатком является высокая стоимость принтеров и расходных материалов, что делает нецелесообразным ее использование в домашних условиях.

SLS-технология – Селективное лазерное спекание. На рабочую поверхность подаётся слой порошка, в зависимости от задачи – это может быть металл, пластик и даже керамика и стекло, после чего лазером обрабатывается площадь слоя будущей детали, после этого платформа опускается, и процесс повторяется. Напоминает SLA, по принципу действия. В конце процесса требуется термическая обработка элемента. Также не подходит для бытового использования и стоит дорого.

Электронно-лучевое плавление или EBM-технология. Отличается от предыдущей технологии тем что металлический порошок плавится электронным лучом в вакууме, и результат не требует термической обработки.

SLM – селективное лазерное плавление, работает только с металлическим порошками, по принципу действия похожа на SLS, но, как и в EBM не требуется конечная термическая обработка.

3Dp – отличием от предыдущих является то, что рабочий материал не плавят, а наносят слои клея с помощью струйной печати. Этим способом возможна цветная 3D-печать.

FDM 3D-принтер

Печать по технологии FDM – самая распространенная как у любителей, так и для решения многих профессиональных задач. Этот же метод является одним из самых старых. Поэтому мы рассмотрим подробнее именно тот вид объемной печати, который хорошо подходит для дома и мастерской.

Устройство и особенности

3D-принтер, который печатает пластиком по технологии FDM состоит из:

1. Рабочей поверхности, часто её называют платформой. Может быть подогреваемой.

2. Экструдера, простыми словами – это печатающая головка. В нём расположен механизм подачи пластиковой нити, нагреватели и печатающие сопла.

3. Механизма передвижения экструдера по осям. Состоит из штанг, винтового вала и двигателей, например, шаговых.

В зависимости от конструкции принтера по вертикальной оси (ось Z) может передвигаться как экструдер, так и подниматься рабочая поверхность, она же может перемещаться по оси Y. По горизонтальным осям передвигается экструдер. 

Примечание:

Для печати с помощью любого типа 3D-принтера создается 3D-модель, но её нельзя загрузить в принтер для печати. Перед этим модель обрабатывается, генерируется т.н. G-код. Смысл этого действия – в делении модели на слои и формирования траекторий по которым будет двигаться экструдер (или другой печатающий элемент, в зависимости от технологии). 

При печати используется ABS и PLA пластики. В зависимости от сложности устройства экструдер может содержать два сопла и больше – одно для печати детали основным материалом, а другое для печати поддерживающих опор (поддержек).

Опоры нужны для поддержки висящих в воздухе частей детали, чтобы они не провисали в процессе остывания и затвердевания. После завершения печати поддерживающие опоры удаляют. 

Упрощенной версией 3D-принтера является 3D-ручка. По сути представляет собой экструдер, который вы сами двигаете рукой. Хоть это и детская игрушка, но как раз для развлечения и ознакомления с технологией – просто прекрасное изделие, а если вы владеете художественными навыками – у вас наверняка получится создавать красивый декор для дома. 

Характеристики

При выборе 3D-принтера нужно учитывать несколько характеристик, среди них:

• Какими материалами печатает устройство, хоть и самые распространенные модели поддерживают печать двумя видами пластиков – ABS и PLA, но все же обращайте внимание на этот вопрос при покупке.

• Разрешение печати – от толщины слоя зависит качество и точность детали. Толщина слоя в 50 микрон считается отличной, а в 100 – более чем хорошей.

• Скорость печати – в большей степени зависит от разрешения печати.

Важно:

Так как деталь печатается слоями помните и то, что её поверхность будет шероховатой и матовой, а её прочность на излом будет значительно ниже чему цельнолитых изделий. От высоты (толщины, как вам удобно) слоя зависит то насколько шероховатой получится деталь. С другой стороны, чем тоньше слой – тем больше времени будет затрачено на печать и тем больше проходов сделает экструдер, увеличиться и нагрузка на все элементы принтера.

• Размеры область печати – этот вопрос может стать камнем преткновения в выборе той или иной модели. Вы не сможете распечатать изделие больше чем область печати. Она ограничивается шириной, глубиной и высотой, другими словами – осями X, Y и Z.

В некоторых случаях, например, у дельта-принтеров, указывается диаметр и высота области печати, так как у неё цилиндрическая форма (смотрите рисунок ниже).

Лучшие производители 3D-принтеров:

• Formlabs;

• Sinterit;

• Creality 3D;

• Prusa3D;

• Raise3D;

• Anet Technology;

• Maestro;

• TEVO;

• Anycubic;

• Picaso 3D;

• Hercules;

• FlashForge;

• Wanhao;

• Dobot;

• XYZPrinting.

MOOZ-2 Plus three-in-one 3D printer:

Заключение

В этой статье мы затронули общие вопросы о 3D-принтерах и печати в целом, если вам интересны какие-то конкретные темы подробнее – пишите об этом в комментариях и мы обязательно о них расскажем.

Алексей Бартош