3D Печать: Современная Технология Моделирования

3D-печать, также известная как аддитивная технология, представляет собой процесс создания трехмерных объектов путем послойного наращивания материала. Этот метод находит применение в различных областях, от медицины и строительства до образования и производства.

Почему используется термин «печать»? Здесь проводится прямая аналогия с печатью изображений на бумаге, где изображение формируется путем нанесения отдельных точек красителя. Аналогично, в 3D-печати объект создается путем послойного нанесения материала.

Аддитивная технология очень гибкая: для изготовления другой детали достаточно загрузить в принтер новый файл, никаких перенастроек самого принтера не требуется. Стоимость подготовки файла для печати гораздо ниже, чем замена оснастки, например, форм для литья в традиционных технологиях. Впрочем, технология быстро совершенствуется - прочность изделий и точность их изготовления растут. Сферы успешного применения 3D-печати расширяются по мере совершенствования этой технологии.

В основе любой технологии 3D-печати лежат два основных этапа: дизайн и печать.

Этапы 3D-печати

1. Дизайн: Первым этапом создания любой детали является создание её трехмерной модели. Для этого могут использоваться практически любые программы для 3D-моделирования - SolidWorks, 3DSMax, Blender, ZBrush и др. 3D-модель необходима в формате STL. На основании модели 3D-принтер в собственном программном обеспечении выстроит алгоритм построения изделия.
2. Печать: В принтер загружается подготовленный файл, где скомпонованы и разбиты по слоям модели, и запускается печать.

Это если говорить о процессе 3Д-печати в двух словах. Однако сегодня мы решили раскрыть эту тему несколько подробней, изучив этапы данного процесса с начала и до конца. На каждом этапе важно соблюдать последовательность и учитывать технические параметры для достижения качественного результата.Первым этапом является создание 3D-модели. Это осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, такого как AutoCAD, Blender или Tinkercad. Модель создается в цифровом формате и отображает все детали будущего объекта в трехмерном пространстве.

После того как модель создана, наступает подготовка модели для печати. Этот этап включает проверку модели на наличие ошибок, таких как несоответствия или дефекты в конструкции, которые могут повлиять на процесс печати. Следующий ключевой шаг - слайсинг. Это процесс, при котором 3D-модель разбивается на множество тонких горизонтальных слоев с помощью специального ПО для слайсинга, например, Cura или Slic3r. Далее начинается этап настройки оборудования. Пользователь должен задать параметры принтера, такие как температура сопла, скорость печати и тип используемого материала, например, PLA или ABS. Все эти настройки важны для успешного выполнения печати и должны быть адаптированы под специфику каждого объекта.

Завершающий этап - запуск печати. Принтер начинает слой за слоем создавать объект, следуя инструкциям, полученным на этапе слайсинга. Этот процесс требует времени в зависимости от размеров объекта и сложности его конструкции.

Когда этап компьютерного 3Д-моделирования будет завершён, необходимо конвертировать полученный файл в специальный формат STL, поддерживаемый большинством современных трёхмерных принтеров. Следует помнить, что перед экспортом цифрового файла необходимо задать степень детализации (разрешение) модели или же степень её разделения на треугольники. В случае выбора значения «Точно» разделение будет плотным, а конечный файл получится довольно «тяжёлым», так что его последующая обработка специальным программным обеспечением займёт больше времени. В то же время и качество готового 3Д-объекта будет максимально высоким. При выборе же значения «Грубо» разбитие будет не таким плотным, файл займёт гораздо меньше места и будет быстрее обработан ПО. Если файл не пройдёт такую обработку, принтер его попросту не распознает.

В продаже представлены десятки моделей 3D-принтеров, поэтому подобрать подходящий вариант не составит труда. Практически все они реализуют технологию экструзионной печати FDM и используют различные виды пластиков в виде нити на катушках. Вот, в общем-то, и всё. При желании вы сможете научиться самостоятельно создавать цифровые модели - это откроет перед вами широкие возможности для творчества и экспериментов. Впрочем, вы можете заказать не только создание модели, но и саму печать.

Основные технологии 3D-печати

Существует несколько технологий 3D-печати, каждая из которых имеет свои особенности:

• FDM (Fused Deposition Modeling): Модельный материал подается в экструдер, который выдавливает на платформу тонкую нить расплавленного пластика, формируя слой изделия. Далее платформа опускается для нанесения следующего слоя. Часто в данной технологии используются 2 печатные головы (2 экструдера) - одна выдавливает модельный материал, другая - материал поддержки. Перед нанесением материал расплавляется, поэтому все слои надёжно спаиваются между собой.
• SLS (Selective Laser Sintering): Объект формируется путем выборочного спекания лазером мелкодисперсного порошкового материала (пластик). Материал наносится на платформу тонким слоем, после чего лазер формирует на поверхности геометрию изготавливаемого изделия. Затем платформа опускается, на нее вновь наносится материал и процесс повторяется. Данная технология не нуждается в поддержках при печати пластиком навесных элементов объекта, за счет заполнения пустот не спечённым порошком.
• SLA (Stereolithography Apparatus): Деталь формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего объект погружается в фотополимер (резервуар) на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя. В основе стереолитографии лежит процесс фотополимеризации. Модели, созданные с помощью SLA, прочные и детализированные.
• MJM/POLYJET: Идентичные технологии от разных производителей оборудования: 3DSystems - MJM и Stratasys - POLYJET, соответственно. Процесс печати осуществляется путем нанесения жидкого материала через множество мелких сопел в печатающей голове. Первоначально на платформу наносится материал поддержки, на который уже в дальнейшем наносится непосредственно модельный материал - фотополимер. Процесс отверждения жидкого фотополимера происходит под воздействием ультрафиолета.
• CJP (ColorJet Printing): Печать из гипсополимера. В основе данной технологии трехмерной печати лежит метод послойного синтеза материала (Layer-by-Layer). Суть данного метода заключается в том, что высококачественный композитный материал - гипсополимер, роликом послойно накладывается на платформу принтера и проклеивается печатной головой специальным связующим веществом. Уникальность данной технологии заключается в том, что она позволяет печатать цветные прототипы. Это возможно благодаря тому, что при печати используется несколько печатающих головок, через которые поступает связующее вещество того или иного цвета.
• Электронно-лучевая плавка (EBM): Прогрессивный метод адаптивного производства при помощи специальных электронных пучков. Широко используется при производстве различных титановых изделий.
• Производство моделей с использованием ламинирования (LOM): Прогрессивный способ формирования различных моделей при помощи послойного склеивания. Полученные объекты могут быть модернизированы путем механической обработки.

Для изготовления изделий нужен порошок (керамика, металлопластик и т.п.), на который воздействует лазер.

Таблица сравнения основных технологий 3D-печати:

Технология	Материал	Особенности	Применение
FDM	Пластик (PLA, ABS, и др.)	Простота, доступность	Прототипирование, хобби
SLS	Порошковые материалы (пластик, металл)	Высокая точность, не требует поддержек	Производство функциональных деталей
SLA	Фотополимеры	Высокая детализация, гладкая поверхность	Ювелирное дело, медицина
MJM/POLYJET	Фотополимеры	Многоцветная печать, высокая точность	Прототипирование, медицинские модели
CJP	Гипсополимер	Полноцветная печать	Архитектурные модели, прототипы

Активное внедрение 3Д-технологий содействовало созданию прогрессивных 3D-принтеров с богатым набором опций. 3Д-печать представляет собой процедуру проектирования трехмерных композиций заданной геометрической формы. Инновационные способы 3D-печати очень востребованы в строительной сфере, архитектуре, образовании, медицине, биоинженерии и многих других областях. Проектируемые модели воспроизводятся при помощи специальных компьютерно-графических программ, которые предназначены именно для этой цели. Построение одной модели может занимать от пары часов до двух и более дней в зависимости от особенности проекта. Преимуществом современных технологий является оперативность и экономичность моделирования объектов, например, при изготовлении изделий на производстве.

3D-принтеры незаменимы для создания уникальных изделий в ДОУ, построения более сложных образцов в школах и специализированных учреждениях. Современные технологии позволяют значительно упростить работу с 3D-моделиями, так что эта технология становится доступна для детей.

Если вы делаете только первые шаги в трехмерном моделировании, то мы рекомендуем недорогие модели для домашнего использования. Компания 3dSystemPro предлагает принтеры для FDM-печати от разных производителей для любых нужд и бюджета.

Технологии 3D-печати совершенствуются и область их использования расширяется.

Разумеется, домашний принтер можно использовать для индивидуального применения или обучения в школе (секции), при этом для реализации печати в промышленных масштабах лучше использовать другую технику. Но в качестве тренировочной базы домашний 3D принтер отлично подходит.

На данный момент даже самые простые настольные 3D принтеры требуют от пользователей базовых навыков программирования и проектирования.

Обзор лучших 3D принтеров для начинающих

Преимущества 3D-печати

3D-печать обладает рядом значительных преимуществ:

• Простота: Технология печати доступна даже маленьким детям.
• Оригинальность: Разнообразие.
• Широкий выбор материалов: При работе с FDM-технологией могут быть использованы самые разные виды пластика, благодаря чему можно получить довольно широкий диапазон моделей, обладающих разными физико-химическими свойствами.
• Высокая скорость работы.
• Минимальная материалоемкость.
• Надежная внутренняя структура.
• Экологичности.
• 3D-печать позволяет быстро и недорого изготовить полноразмерные модели для габаритных и прочностных испытаний.

Сферы применения 3D печати

Материалы для 3D-печати

При работе с FDM-технологией могут быть использованы самые разные виды пластика, благодаря чему можно получить довольно широкий диапазон моделей, обладающих разными физико-химическими свойствами.

Нити для принтеров бывают толщиной 1,75 и 2,85 мм. Первый тип наиболее распространен, подходит для разных принтеров. Тип полимера подбирают в зависимости от сферы использования готовой модели. АБС-пластик изготавливают из нефти. Это недорогой расходник, поставляемый в разных цветах.

Кстати, FDM-нити являются самыми доступными расходниками для трёхмерных принтеров, что является ещё одним немаловажным преимуществом данной технологии. Именно поэтому её выбирают экономные пользователи, не желающие разориться на печати. Точно так же, как владельцы лазерных принтеров экономят, используя каждый расходник по нескольку раз, заправляя его подходящим тонером.

Принцип работы FDM-принтера

Наиболее важными элементами любого трёхмерного принтера являются печатающая головка (экструдер) и рабочая платформа. На поверхности последней, собственно говоря, и осуществляется создание запланированного объекта. В процессе печати платформа перемещается по оси Z вверх и вниз, а печатающая головка при этом выдавливает на неё расплавленную полимерную нить - таким образом слой за слоем создаётся готовый предмет.

Катушку с основным материалом загружают в принтер. Как только температура сопла достигает заданной величины, 3D пластик поступает в экструдер, который движется по трем осям - X, Y, Z. Тонкие нити расплавленного материала последовательно ложатся в заранее запрограммированных местах.

Сцепление играет важную роль при печати. Каждый новый слой нагревает предыдущий, а затем сплавляется с ним. По этой причине фигурки на FDM-принтере имеют меньшую прочность по оси Z и большую в плоскости X/Y. Технология печати не позволяет делать фигурки идеально гладкими. При наслоении и сплавлении предыдущий слой деформируется до овала, поэтому поверхность получается ребристой.

Некоторые полимеры после остывания дают значительную усадку. При проектировании объектов стоит избегать больших плоских деталей. Чем острее угол, тем больше вероятность искривления. Чтобы повысить скорость изготовления объектов и сократить количество расходных материалов при FDM-печати детали заполняют примерно на 25%. Принтер печатает внешнюю оболочку в несколько проходов, а внутри - структуру низкой плотности. из-за особенностей нанесения слоев готовые детали анизотропны.

Когда печать завершится, изготовленный объект, как правило, будет выглядеть не совсем презентабельно - на его поверхности вы обнаружите различные выступы и остатки пластика, которые необходимо будет аккуратненько ликвидировать. И только после этого объект будет готов к использованию по своему прямому назначению.

Пост-обработка

После завершения печати может потребоваться постобработка изделия, включающая удаление поддержек, шлифовку и покраску.

Развитие технологий 3D-печати

Технологию 3D печати придумали и запатентовали в конце 80-х годов прошлого столетия, но широкое распространение получила относительно недавно. Если коротко, то 3D печать подразумевает изготовление функциональных объемных предметов по цифровой модели. Для этого применяют 3D принтер. На данном этапе развития их множество видов, которые предназначены для выполнения разных задач. Изучение технологии 3D печати и выполнение базовых проектов начинают уже в школе, потому что будущее, безусловно, за 3D принтерами. Кстати, принтер Gigalab re:3D, например, может превращать перерабатываемые материалы в полезные объекты: из пластиковых бутылок можно получить желаемый предмет.

Массовое производство одинаковых вещей исчезнет. Отпадает необходимость выпускать запчасти впрок: любую деталь можно будет изготовить тогда, когда в ней возникнет необходимость.

Некоторые люди опасаются, что столь стремительное развитие аддитивных технологий скоро полностью вытеснит традиционное производство. Тем не менее, эксперты утверждают, что эти две отрасли лишь дополняют друг друга, но не заменяют. Помимо этого, бытует мнение, что 3D печать позволяет снизить цены на продукцию. Это действительно так, если речь о малых или средних объемах производства.