Принцип работы 3д принтера

Из-за того, что существуют разные типы устройств для трехмерной печати невозможно однозначно ответить на вопрос, как работает 3Д принтер. К примеру, устройство, печатающее пластиком, имеет один принцип, а принтер, работающий с металлической пудрой совершенно другой. Конечно, все они работают по принципу послойного создания модели, однако в случае с пластиком принтер должен плавить расходный материал до жидкого состояния, а в случае с металлической пудрой печатающая головка распыляет связующее вещество.

Технологии трехмерной печати уже никого не удивляют. Многие пользуются 3Д принтерами в личных целях, и практически не одно предприятие не обходится без промышленного принтера для трехмерной печати. И хоть это уже и не новость, а сама технология была разработана уже достаточно давно, мало кто знает, как работает 3D принтер. Если вас интересует этот вопрос, то данная статья будет вам весьма полезна.

Для начала, чтобы понять принцип работы принтера для трехмерной печати следует понять, что это вообще такое и принцип печати.

0.1. Работа 3D принтера

Печатающая головка, как ясно из названия, формирует слои материала, постепенно выращивая из них объект. Она движется только в горизонтальной плоскости (вдоль осей X и Y).

Устройство 3D-принтера и печать объектов

Существует множество типов 3D-принтеров, различающихся по устройству и принципам работы. Однако, все эти приборы используют один и тот же базовый принцип 3D-печати — построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала.

На рисунке выше показано схематическое устройство механизмов. Это очень упрощенная модель — она служит только для наглядной демонстрации базовых принципов работы 3D-принтера.

Печатающая головка, как ясно из названия, формирует слои материала, постепенно выращивая из них объект. Она движется только в горизонтальной плоскости (вдоль осей X и Y).

Рабочая платформа служит для размещения объекта при печати, она двигается сверху-вниз (по оси Z).

Сам по себе, процесс 3D-печати очень прост.

В начале рабочая платформа находится в верхнем положении, а печатающая головка накладывает на нее нижний слой объекта. После того как первый слой сформирован, рабочая платформа опускается на толщину слоя, и печатающая головка накладывает новый слой материала на предыдущий.

Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет построен целый объект. На фотографиях выше хорошо видно тонкие горизонтальные слои материала, из которых состоит фигурка.

Теперь, разобравшись с основами, рассмотрим некоторые важные термины, касающиеся 3D-принтеров. Это нужно для того, чтобы, в дальнейшем, вам было проще понять, о чем идет речь.

Хотя наличие фиксаторов и не является обязательным в работе 3D-принтеров, наличие его позволит делать принтеру калибровку положения перед началом каждого процесса печати, что позволит сделать печать более аккуратной и точной.

новости

статьи

файлы

Практически все персональные 3D-принтеры используют один и тот же подход к процессу 3D-печати. Детали могут различаться, но в основном, строение и принцип работы одни и те же. Давайте рассмотрим принцип работы 3D-принтера более подробно на основании примера с рисунка ниже.

Картезианский робот

Хотя все это и может звучать сложно, на самом деле это совсем не так, и многие 3D-принтеры содержат в себе стандартные элементы, которые используются в большом количестве других отраслей и устройств. Конечно, прошли годы, чтобы проверить, что действительно работает, а что нет, чтобы получить такие выдающиеся результаты работ 3D-принтеров, какие мы имеем сейчас. Благодаря большим количествам открытых технологий, разработчики могли делиться друг с другом, что облегчало процесс создания и обмена знаниями.

Имея возможность точного позиционирования, нам нужен экструдер, который мог бы «выдавливать» тонкие нити термопластика – пластика, который переходит в полужидкую форму при нагревании. Экструдер, самая сложная часть 3D-принтера, которая до сих пор постоянно улучшается и дорабатывается, на самом деле состоит из двух элементов – привод самой нити и термальная головка.

Привод нити выталкивает пластиковую нить, которая зачастую скручена в катушку, и имеет диаметр 1,75 или 3 мм, с помощью редукторного механизма. Большинство, если уже не все, современные проводы используют шаговый механизм для лучшего контроля подачи нити к термальной головке. Эти приводы обычно работают с помощью редукторов, чтобы придать системе подачи пластика необходимую для выдавливания нити силу.

Поверхность печати (платформа)

Линейный двигатель

Диапазон движения линейных приводов обычно ограничен механическим или оптическим фиксатором. Грубо говоря, это просто ограничители, которые подают принтеру сигнал, что он подошел к краю рабочей поверхности, чтобы предотвратить выход за рамки платформы.

Хотя наличие фиксаторов и не является обязательным в работе 3D-принтеров, наличие его позволит делать принтеру калибровку положения перед началом каждого процесса печати, что позволит сделать печать более аккуратной и точной.

То, что держит все выше описанные элементы вместе, называется рамой. Форма рам, а также материал, из которого она изготовлена, очень сильно влияют на точность и качество печати. Во многих 3D-принтерах используются резьбовые стержни и другие материалы в конструкции рамы. Также многие принтеры используются созданные лазерной резкой фанерные листы для создания рамы.

Такая система базируется на принципе слотов, когда одна часть имеет слот для соединения с другой частью, и вместе они соединяются болтами и гайками. Такую раму обычно проще собрать, и она является более точной для калибровки принтера, однако обычно такая конструкция более шумная, а также со временем крепежные элементы придется подкручивать. В общем, резьбовые стержни делают аппарат более тихим, однако усложняют процесс сборки и калибровки.

Некоторые новые модели 3D принтера имеют по два и три экструдера, что позволяет работать с несколькими цветами и параллельно печатать несколько моделей. Также существует экспериментальная модель экструдера с несколькими механизмами подачи нити и одним соплом.

Все модели 3D-принтеров значительно отличаются друг от друга. Они бывают разных стилей и могут быть оптимизированы для определенной аудитории или вида печати.

На данный момент существует множество 3D принтеров и отличия их бывают в качестве печати (разрешение принтера), скорости печати, объёме рабочего пространства, возможности использования разных материалов, цветовой гамме и даже возможности печатать одновременно несколько объектов. Возможности принтера очень велики: создание моделей домов, печать каркасов для велосипедов, печать деталей кузова машин, создание протезов и даже распечатка живых тканей из биоматериала.

3D принтеры — это крайне перспективная разработка в сфере медицины. На данный момент, благодаря обьемной печати, специалисты могут за короткие сроки создать качественный имплант кости, протез, сложный медицинский инструмент и т. п. Уже сейчас медики пытаются воссоздать функционирующий орган, но пока что это просто экспериментальные разработки.

Поговорим о принципе работы чудо принтера. Как же данной машине удается перенести цифровую трехмерную модель в пространство?

Рабочая часть 3D принтера состоит из платформы (рабочее пространство) и печатающей головки «экструдер» (extrude – выдавить). Экструдер послойно создает объект путем выдавливания термопластика (или другого материала) в виде филамента (нить).

Кроме вышеописанного экструдера, существует боуден-экструдер, в котором горячая и холодная часть расположены отдельно. Филамент в таком типе экструдера подается от блока подачи на корпусе принтера в сопло через трубку.

Некоторые новые модели 3D принтера имеют по два и три экструдера, что позволяет работать с несколькими цветами и параллельно печатать несколько моделей. Также существует экспериментальная модель экструдера с несколькими механизмами подачи нити и одним соплом.

Термопринтеры – это не единственные аппараты, которые способны печатать 3D модели. Крайне популярен на данный момент 3D принтер с холодным экструдером в виде шприца. Такой принтер позволяет работать с бетонными смесями, глиной, силиконом, пластилином и т.д. Именно такой вид принтеров используется в строительстве.

Для создания чего-либо на принтере Вам необходимо отсканировать или создать свою 3D модель. Для создания модели используют множество различных программ, ориентированных на объёмное моделирование. Одной из самых популярных программ являются 3DMax, 3DTin и самый простой и интересный — Thinkecard, разработанный для детишек. Программа имеет множество готовых файлов, и даже возможность экспортировать модель в игру MineCraft.

После создания модели необходимо сверить параметры принтера и создаваемого объекта. Можно масштабировать объект или разрезать его на детали, которые без труда поместятся на рабочем пространстве принтера.

Найти программное обеспечение на 3D принтер не составит труда, так как их огромное количество. Во-первых, почти все производители предоставляют фирменное ПО к своему продукту. Во-вторых, тема 3D принтеров достаточно популярна и интересна, в связи с чем постепенно появляется новое программное обеспечение с множеством дополнительных плагинов.

То, о чем некогда писали в своих книгах фантасты XX века, уже сегодня, благодаря разработке Чака Халла в 1986 году, стало не просто реальным, а и вполне доступным девайсом.

От FDM стереолитография отличается более монолитными принтами, даже с одинаковой заданной толщиной слоя.

SLS

Главное преимущество технологии перед FDM и SLA — SLS-печать не требует создания поддерживающих структур, ведь материалом поддержки служит окружающий модель материал — это позволяет печатать изделия любой формы, с любым количеством внутренних полостей, и заполнять ими весь рабочий объем принтера. SLS-принтеры работают с широким спектром материалов, а их принты прочнее, чем большинство напечатанных FDM или стереолитографией.

Благодаря прочностным характеристикам, напечатанные на SLS-принтерах детали могут использоваться в практических целях, а не только как прототипы и декоративные элементы.

Для создания объекта аппарат направляет лазер на слой мелкофракционного порошка, сплавляя частицы друг с другом для формирования слоя изделия. Затем, устройство рассыпает следующую порцию порошка на поверхность готового слоя и разравнивает его, а лазер расплавляет, создавая следующий слой изделия. Процедура повторяется до тех пор, пока печать не будет завершена.

Есть у SLS-принтеров и минус — их стоимость. Они очень дороги, по сравнению с FDM и SLA/DLP. Это связано с ценой необходимых для такой печати высокоэнергетических лазеров. В принципе, стоимость даже самых дешевых SLS-принтеров совсем недавно начиналась от $200 000.

Тем не менее, некоторые компании в настоящее время работают над тем, чтобы сделать данную технологию более доступной, поэтому есть шанс, что приобрести SLS-принтер в ближайшем будущем смогут позволить себе даже любители. Один из примеров — польская компания Sinterit.

SLS-принтер на примере Sinterit Lisa Pro

Извлеченная из SLS-принтера модель не требует удаления поддержек и может использоваться без постобработки, ее надо лишь очистить от лишнего порошка.

Если кратко, принтер для объёмной печати, независимо от типа используемого материала и применяемой технологии, работает по следующему принципу:

Основный принцип работы

Если кратко, принтер для объёмной печати, независимо от типа используемого материала и применяемой технологии, работает по следующему принципу:

• на компьютере в специальной CAD-программе моделируется объект;
• готовый объект, сохраненный в специальном формате, нарезается программой — слайсером, которая идет в комплекте с устройством, причём толщина каждого слоя определяется возможностями 3д-принтера и выбранными настройками;
• каждый слой переводится в двоичный командный код, который получает устройство, и в соответствии с которым, согласно координатам, наносится слой материала;
• слой за слоем формируется объект.

Именно таким образом осуществляется 3D-печать и видео это иллюстрирует прекрасно. Детальный принцип работы оборудования будет определяться используемой технологией.

Технологии трёхмерной печати

Существует довольно большое число технологий, применяемых в 3D-печати. От технологии и технология зависят от используемого для печати материала. В настоящее время для этого можно использовать: пластиковые нити, фотополимерные смолы, металлические порошковые сплавы;

гипсовый композитный порошок, воск, а также разные строительные и кулинарные смеси.

Наиболее известны следующие технологии 3D-печати:

• FDM;
• SLS и SLM;
• ламинирование;
• фотополимерная печать;
• печать гипсом;
• строительная печать бетонной смесью и другие.

Каждая отдельно взятая технология имеет свои характерные особенности, сферу применения и сложности. На некоторых стоит остановиться более подробно.

Послойное наплавление

Наиболее простая и популярная технология печати – это FDM или технология послойного наплавления. Она подразумевает подачу пластиковой нити к специальному нагревательному элементу. Посредством экструдера расплавленный пластик наносится в заданной печатной области. Экструдер закреплён на печатной головке, которая перемещается по рабочей зоне печати в горизонтальной плоскости. Как только слой будет напечатан, рабочая платформа опустится на величину слоя и работа продолжится снова.

Этот тип печати является наиболее доступным. И устройства, основанные на нём стоят дешевле всего. Именно поэтому такие 3D-принтеры являются самыми востребованными для домашне-бытовых целей, то есть персонального использования.

Фотополимерная печать

Фотополимерная печать осуществляется несколько иначе. Материал также наносится послойно, но он изначально находится в жидком состоянии в специальной ванне. Слой за слоем на материал воздействует лазерный или ультрафиолетовый луч, и платформа поднимается вверх. То есть объект как бы выращивается. Под действием излучения материал полимеризуется и твердеет.

Так как такая технология позволяет получать изделия с высочайшей точностью, в том числе и тонкостенные, то она является более перспективной и обладает более широкими возможностями. Именно она используется на сложных производствах и предприятиях.

Востребованы подобные устройства и в медицинской сфере, открывая широчайшие возможности изготовления высокоточных хирургических шаблонов и даже протезов.

Взгляд в будущее

Ещё один способ послойной печати предметов, в котором лазер спекает порошок — металлический, пластиковый или керамический — слой за слоем, формируя готовый объект. Существует методика плавки (SLM), которая отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чисто металлическим порошком без всяких добавок — так формируются монолитные элементы, лишённые пористости, характерной для обычного спекания.

Слой за слоем: как работает 3D-принтер

Стереолитография (SL или SLA)

Cелективное лазерное спекание (SLS)

Ещё один способ послойной печати предметов, в котором лазер спекает порошок — металлический, пластиковый или керамический — слой за слоем, формируя готовый объект. Существует методика плавки (SLM), которая отличается более мощными лазерами и возможностью работать с чисто металлическим порошком без всяких добавок — так формируются монолитные элементы, лишённые пористости, характерной для обычного спекания.

Расходные материалы

Одним из самых привлекательных факторов FDM-печати остается огромное разнообразие относительно недорогих расходных материалов. Два наиболее популярных пластика АБС(акрилонитрилбутадиенстирол) и ПЛА (полилактид).

С первым вариантом знакомы абсолютно все из нас – это наиболее широко используемый промышленный пластик, из которого изготовлена ваша любимая кофемолка, шариковая ручка, защитный кожух смартфона и множество других бытовых вещей.

Второй представляет собой экологичную альтернативу, будучи органическим, биоразлагаемым полимером, изготавливаемым из кукурузы или сахарного тростника.

Пусть ПЛА и не так долговечен, его можно смело выбрасывать в мусор, так как под воздействием среды через несколько месяцев полилактид превратится в безвредный компост.

• температура сопла;
• скорость подачи пластиковой нити;
• работа мотора.

Как работает

Всего различают несколько основных технологий 3Д печати:

1. Метод постепенного наслоения пластика.
2. Стереолитографическое моделирование.
3. Лазерное спекание.

Эти методы были названы от более популярного к менее распространенному. И сейчас кратко расскажем о каждом из них.

Схематическое изображение 3D-принтера

В удалённых же системах для подачи материала на печатающую головку, используются специальные полые трубки (Боуден-кабель). Они обеспечивают не только постоянную подачу нити на экструдер, но и могут работать в обратном направлении, если это необходимо (режим втягивания). Удалённая система расположения экструдера приводится в действие при помощи так называемых тросов.

Тема 3d печати становится все более популярной, но многие люди все же не понимают сам принцип действия этих чудо-машин. Это и не странно, так как на рынке, в текущий момент предоставлено довольно большое количество устройств, которые различаются своими «внутренностями», но объединяет их одно – возможность создавать трёхмерные изделия из самых различных материалов.

Сейчас же ситуация кардинально изменилась, а 3d принтеры становятся все более похожими на своих двухмерных собратьев. Возможно, в скором будущем именно они станут стандартом как для домашнего, так и промышленного использования.

Существует довольно большое разнообразие 3d принтеров, каждый из которых работает по определённой технологии. Где-то задействуются физические факторы и принципы, где-то химические. Назвать какую-то конкретную технологию лучшей, чем другие пока что нельзя, потому что каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, а до стандартизации устройств ещё очень далеко, так как каждый день открываются новые возможности и потенциал технологии ещё не раскрыт.

В этой статье мы рассмотрим принцип действия 3d принтеров, которые работают по технологии FFF – моделирование методом наплавления. Существует ещё одно название этой технологии – FDM, которое несёт тот же смысл. Различие между этими двумя понятиями состоит лишь в том, что технология FDM (FusedDepositionModeling) является торговой маркой одного из гигантов производства 3D-принтеров, а термин FFF был придуман энтузиастами, для того, чтобы обойти различные юридические ограничения.

Что такое FFF-технология и как она работает?

Сам термин FFF – это набор слов, описывающий процесс работы с определённым материалом, который используется в соответствующих принтерах. В 3d принтерах, работающих по такой технологии в качестве наполнителя, чаще всего используется специальный термопластик, который во время нагревания приобретает полужидкое состояние, а после охлаждения – затвердевает.

Термопластик подаётся при помощи экструдера (механизма отвечающего за подачу материала) на печатающую головку, которая слой за слоем создаёт изделие.

Большинство нестандартных, например, пищевых принтеров работает именно по принципу FFF технологии, но с небольшими модификациями. Из тех же устройств, которые созданы для работы с пищей, убирается нагревающая часть и устанавливается дополнительный контейнер, хранящий съедобный наполнитель.

Работа в трёх измерениях – принцип работы направляющих

Самая сложная часть 3d принтеров – это подвижные элементы. Недостаточно просто установить несколько шаговых двигателей, подключить их к питанию и заставить двигать экструдер. Нужно научить их правильно работать и точно выставлять головку, которая отвечает за подачу материала.

Если вам ещё не стало понятно, пожалуй, можно провести аналогию с обычным 2D-принтером. Эти устройства создают изображения на плоскостях X и Y. Как только вы отправляете документ на печать, компьютер просчитывает все необходимые координаты и передаёт их принтеру. Последний, в свою очередь, начинает передвигать печатающую головку влево — вправо, а колесики внутри перемещают лист на новую строку.

Каждый 3d принтер построен аналогичным способом, а все три оси являются линейными. Они расположены под прямым углом друг к другу и не меняют своего положения в процессе печати. Для движений вдоль осей используются зубчатые ремни, шкивы, стержни, моторчики и др.

Хотя двигатели имеют относительно небольшие размеры, они обладают достаточной мощностью, чтобы направлять головку или печатную платформу, с точностью до миллиметра. В 3d принтерах используются довольно дорогостоящие двигатели, так как механизмы низкой ценовой категории не обеспечат необходимую точность. К тому же дешёвые двигатели издают достаточно большое количество шума, даже несмотря на то, что они постоянно совершенствуются.

Экструдер

Если говорить о терминологии, то с определением некоторых частей 3d принтеров возникают трудности, так как сама технология ещё относительно молода и не все называется стандартными именами. Главное запомнить то, что экструдеры подают материал при помощи выдавливания (методом экструдирования). Сам материал укладывается слоями до тех пор, пока изделие не будет полностью готово, но об этом немного позже.

Каждый из видов расположения экструдеров, независимо от того, интегрированная ли это система или же удалённая, имеет свои преимущества и недостатки.

Интегрированная система не нуждается в создании сложной системы подачи материала на саму головку, поэтому во время печати редко возникают какие-либо проблемы, но в отличие от удалённых – цельные механизмы тяжелее в весе и гораздо медленней в работе. Эти характеристики заметно снижают саму скорость печати устройств, но часть времени компенсируется простотой замены пластиковой нити.

В удалённых же системах для подачи материала на печатающую головку, используются специальные полые трубки (Боуден-кабель). Они обеспечивают не только постоянную подачу нити на экструдер, но и могут работать в обратном направлении, если это необходимо (режим втягивания). Удалённая система расположения экструдера приводится в действие при помощи так называемых тросов.

Самое главное преимущество удалённого расположения экструдера – небольшой вес, который позволяет добиться высокой скорости печати. Один из самых быстрых принтеров – Ultimaker, как раз-таки использует именно такую систему расположения экструдера.

Основная проблема полых трубок – это большое количество трения, возникающего внутри системы подачи материала, в результате чего могут возникнуть проблемы, связанные как с подачей, так и с порчей самого термопластика (или других используемых материалов).

Ещё один недостаток системы – сложности, которые могут возникать в процессе замены принтера. Поэтому перед тем как удалить нить, необходимо включить нагрев самой печатающей головки. Материал, после прекращения работы, остывает и затвердевает, что вызывает засорение. Ошибка многих начинающих пользователей 3d принтеров заключается в том, что они пытаются достать остатки материала силой, но это категорически не рекомендуется, так как можно попросту повредить печатающую головку и всю систему.

Системы подачи материала постоянно совершенствуются, а энтузиасты 3d сообществ, постоянно создают все новые концепции построения этой системы.

Продолжение статьи об устройстве 3d принтера читайте во второй и третьей частях статьи.

Оборудование данного типа работает на основе пластиковой нити, которая в расплавленном виде выдавливается из экструдера и наплавляется послойно, моделируя изделие. Метод FDM является самым распространенным, ввиду простоты в использовании и доступности расходных материалов. Основными элементами оборудования являются:

В основе метода лежит воздействие лазерного луча на порошковый или фотополимерный материал. Не столь распространенное оборудование в силу более сложной технологии и менее доступных исходных материалов. Но, тем не менее, принцип лазерной печати используется достаточно широко.

В качестве порошка может выступать все, что измельчается до мелкодисперсного состояния (металл, пластик, дерево и т.д.). Фотополимером служит полупрозрачная жидкая смола, которая отвердевает под действием лазерного излучения. В зависимости от используемого материала, возможно его послойное затвердевание, склеивание между собой, либо спекание до однородной структуры.

Стереолитографический 3D-принтер формирует трехмерный объект из фотополимерной смолы

Ключевые компоненты лазерного принтера для 3D-печати:

• лазер;
• отклоняющие зеркала, отражающие лазерный луч в нужную точку;
• подвижная площадка – емкость с опускающейся платформой. Смола или порошок, нанесенные на платформу, подвергаются засветке лазером в соответствии с моделью объекта, заложенной в программе принтера. В точках соприкосновения материал затвердевает, и платформа опускается на один цифровой слой вниз, после чего обработке подвергается следующий слой. И так до окончательного формирования изделия.

• Технология Polyjet разработана в 2000 году и сегодня принадлежит компании Stratasys. Создание трехмерных объектов производится посредством полимеризации фотополимера под действием УФ излучения. Фотополимер – дорогой и хрупкий пластик, потому в быту такие принтеры практически не используют, но благодаря точной детализации моделирования аппараты применяют в медицине и промышленности (для создания прототипов).

Брать или не брать: достоинства и недостатки оборудования

Использование объемной печати предоставляет пользователям обширные возможности. Ключевое преимущество техники – воспроизведение любого трехмерного объекта, и исключений здесь практически нет. Все, что может быть изготовлено из пластика, можно «напечатать», будь то дорогой в оригинале бампер от иномарки или проект будущего торгового центра на выставке архитекторов. Решающим фактором станет размер оборудования, а выражаясь точнее – размер его рабочего стола.

Потенциал «пластиковой печати» усложнен трудоемким процессом подготовки и управления, требующим узкоспециализированных знаний. Неопытный пользователь не всегда сможет спроектировать в 3D-MAX даже простую геометрическую фигуру, не говоря о собственном портрете. Чтобы пользоваться техникой, ее необходимо освоить, а этой займет некоторое время.

Второй недостаток 3D-принтера – его габариты. В продаже доступны и компактные модели, но их предельные размеры печати слишком скромны, хотя вполне подойдут для поэтапного изготовления инсталляций или архитектурных проектов.

Конечно, в качестве игрушки приобретать 3D-принтер нерационально, средняя стоимость моделей дешевого сегмента превышает 30 000 рублей. Покупка будет выгодна, если оборудование будет выполнять определенную задачу: приносить прибыль, развивать навыки, получать образование, заниматься творчеством, помогать в работе.

В ближайшем будущем можно ожидать новых разработок в этой области. Сегодня уже можно напечатать настоящий жилой дом из обычной строительной смеси. Естественно, такое оборудование недоступно для бытового использования, но сам факт применения новых материалов для печати обещает методичное расширение возможностей объемной печати в домашних условиях.