DLP использует проектор для той же цели, а LED DLP — ультрафиолетовый ЖК-дисплей. В таких конструкциях свет одновременно отображается на смоле по всей площади матраса. Это дает преимущество в скорости при печати больших объектов со 100% заполнением — полнослойное освещение быстрее, чем SLA.
3D принтеры: описание, назначение и принцип работы
Трехмерные принтеры — это современная альтернатива традиционным методам промышленного производства. Дизайн выглядит как традиционный офисный принтер, печатающий только на трех уровнях (ширина, высота и глубина). Устройства позволяют производить небольшие или большие количества объектов с различными физическими характеристиками. В то же время они менее затратны при изготовлении протезов и обеспечивают более высокую эффективность по сравнению с традиционными технологиями.
Давайте поговорим о том, что такое 3D-принтер, как он работает и какие технологии использует. Также обратите внимание на типы продукции, которые могут быть произведены с помощью этого оборудования.
Что такое 3D-принтер
Это специальная технология печати трехмерных природных объектов на основе цифровых компьютерных моделей.
Основные части сборки 3D-принтера:.
- открытый или закрытый корпус (камера сборки);
- рама – объединяет все детали и механизмы оборудования;
- шаговый, линейный двигатели – приводят в движение механизм, отвечают за скорость и точность печатного процесса;
- рабочая платформа (стол, печатная платформа) – поверхность, на которой формируются трехмерные детали;
- печатающая головка (экструдер) – система захвата отмеряет нужное количество материала, подает его через разогретое сопло, полужидкий пластик выдавливается в виде нитей;
- фиксаторы – датчики для определения координат печати, ограничения подвижных элементов (обеспечивают работу в пределах рабочей платформы, следят за аккуратностью печати).
Как работают 3D-принтеры
Процесс печати контролируется компьютерной программой. В компьютерную программу предварительно загружается объемная цифровая модель будущего объекта и регулируется, моделируется и регламентируется форма, размеры и технические параметры. Задача принтера — превратить цифровой эскиз в осязаемый материальный объект.
Существует множество разновидностей 3D-принтеров с различным дизайном и используемыми технологиями печати. Однако все они имеют общие принципы работы. Каждый слой печати основан на определенном образце трехмерной структуры матраса. Печать осуществляется автоматически и обеспечивает более точное воспроизведение трехмерной модели.
Метод создания объекта с помощью 3D-принтера зависит от применения расходных материалов, металла или пластика.
Печать по металлу
В процессе изготовления печатающая головка распыляет клей (клей) в определенных точках в соответствии с заранее заданной программой. Затем металлический порошок наносится на платформу, где он вступает в контакт с клеем и затвердевает. Процедура повторяется до тех пор, пока не будет нанесен последний слой.
Как правило, 3D 3D-принтеры — это дорогие, крупномасштабные промышленные инструменты. Эти устройства в основном используются для создания объектов со сложной геометрией. Их отливка и обработка очень болезненна и, кроме того, очень дорога.
Металлические принтеры пользуются большим спросом в производстве:.
- зубных коронок, стоматологических мостов;
- индивидуальных медицинских имплантатов;
- ювелирных изделий;
- прототипов серийных деталей, применяемых для испытаний, тестирований в авиационной или автомобильной промышленности.
По сравнению с классическими методами производства, объемные принтеры позволяют производить металлические объекты, вес которых на 60% меньше. 3D-печать способствует значительному сокращению количества отработанных предметов и экономит большие суммы денег. Это особенно актуально для авиационной промышленности, где количество отходов при обычном производстве может достигать 90%. Еще одним преимуществом технологии протезирования является гораздо меньшее потребление энергии.
Печать по пластику
Создание изделий из пластмассы (например, ABS, PLA) по технологии протезирования основано на расплавлении расходных материалов влажного состава. Пластиковая нить приводится в движение в отформатированном виде, нагревается, пропускается через экструзионное сопло и извлекается в нужную часть верстака.
Технология термопластичной печати в основном используется в домашних условиях и на малых и средних предприятиях. Он используется для производства сувениров, различных конструкций, внутренних элементов, прототипов обуви и одежды. Этот метод оценивается за высокое качество печатной продукции и высокий потенциал адаптации. Другими преимуществами печати на пластике являются небольшое количество отходов, экологически чистые процессы, разнообразие расходных материалов и короткое время создания прототипов.
FDM может производить как дорогостоящие компоненты для высокоточного оборудования, так и товары повседневного спроса, такие как мебельная обивка, игрушки и аксессуары. С помощью этой технологии удобнее печатать большие объекты.
Как работает 3D-принтер?
Классические 3D-принтеры с технологией FDM
Начнем с технологии печати. Сегодня существует множество 3D-принтеров и, как следствие, бесчисленное количество способов создания моделей. Однако, как правило, все принтеры имеют в своей основе одну из трех различных технологий.
Во-первых, существует SO — масштабируемая стереолитография (SL или SLA). В некоторых принтерах есть ванна с жидким фотополимером. Фотополимеры — это пластмассы или смолы, которые отверждаются под воздействием света. Печатники обычно работают с акриловыми, эпоксидными или виниловыми смолами. Лазерный луч движется по поверхности смолы и при контакте со смолой отверждает ее. Баки для фотополимеров имеют платформу, которая немного опускается (вглубь ванны) после каждого отверждения. Таким образом, объекты печатаются в виде линий, подобно тексту на обычном принтере. После полного отверждения модель становится чрезвычайно прочной и химически стойкой. Преимуществом этого метода является точность транспортировки. Даже небольшие микроструктуры могут быть напечатаны принтером очень четко. К сожалению, стереолитографические принтеры сегодня очень дороги.
Вторая технология 3D-принтеров — селективная лазерная обработка (SLS). Чтобы понять, как это работает, представьте себе вертикальную трубу, в которой находится движущаяся платформа. В начале печати платформа находится вверху. Пластик, песок с полимерным покрытием, металлический или керамический порошок распределяется тонким слоем на платформе с помощью цилиндра. Затем лазерный луч начинает двигаться вдоль платформы, нагревая часть пыли, чтобы она могла соединиться друг с другом и сформировать первый уровень объектов. Затем платформа немного перемещается вниз, и процесс начинается снова. Таким образом, объект снова создается с помощью матраса.
Третий метод является классическим. Это называется Fusion Modelling (FDM). В этом процессе каждый слой объекта формируется из жидкого пластика, проходящего через экструдер (программируемое устройство, придающее ему определенную форму), и сразу же отверждается лазером. Затем отвержденный слой перемещается вниз, и экструдер формирует новый слой, расплавляя предыдущий слой. Эти принтеры относительно недороги и могут быть собраны своими силами при наличии определенных знаний. Точность печати здесь хуже, чем у 3D-камней, но это наиболее подходящий процесс 3D-печати для любителей.
Как создаются модели для печати?
Сначала создается 3D-модель объекта с помощью программы CAD и сохраняется в специальном формате STL. Затем STL-файл загружается в принтерный резак, такой как Cura или Slic3r. Программа раскроя позволяет определить физические свойства модели, такие как плотность заполнения и использование опорных конструкций.
Программное обеспечение преобразует 3D-модель в G-код. Он содержит процедуры экструдера для построения каждого слоя модели. Код загружается в принтер, устройство активируется и начинается печать.
Какие материалы используются в 3D-печати?
3D-печать осуществляется с использованием различных видов пластика. Он поставляется в виде нити, намотанной на большую катушку. Нить помещается в принтер, принтер вытягивает ее и расплавляет, позволяя пластику стать жидким и готовым к формовке.
Наиболее часто используемым пластиком в принтерах является полилактид (PLA). Этот пластик получают из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал. Он водонепроницаем и безопасен для пищевых контейнеров. Он также устойчив к воздействию пламени и ультрафиолета. Его главное преимущество в том, что он не производит неприятных запахов во время печати.
Печать на полилактиде (PLA)
Очень часто используются сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС). Этот пластик является одним из наиболее широко используемых пластиков в мире. Он особенно устойчив к воздействию масла, жира и высоких температур. Он не имеет запаха, даже в распечатанном виде. Модели, изготовленные из него, имеют матовую поверхность.
Еще один материал для 3D-печати — поливиниловый спирт (PVAL или PVOH). Особенностью этого пластика является его растворимость в воде. Это делает его полезным для печати опорных конструкций внутри модели. На этой структуре плавится водонепроницаемый пластик, сам PLA. После того как модель завершена, опорная структура внутри модели демонтируется.
Высокопрочный полистирол (HIPS) часто используется для печати несущей конструкции моделей ABS. Этот пластик обладает высокой ударопрочностью и твердостью.
Эксклюзивные методы включают печать с использованием PLA-компаундов, т.е. смеси PLA-пластика и частиц других веществ. Таким образом, создаются модели, например, из дерева или меди.
Однако в редких случаях все еще используется поликарбонат (PC). Температура плавления этого пластика очень высока и составляет от 270°C до 300°C. Кроме того, этот пластик очень устойчив к ударам и высоким температурам.
Нейлон используется для печати механических деталей, таких как шестеренки и винты. Эти детали должны выдерживать большие нагрузки, не ломаясь.
Существуют также пластмассы с маркировкой «резина» или «флекс». Они могут быть изготовлены из различных веществ, но в качестве основного ингредиента обычно используются термопластичные эластомеры на основе уретана. Общей характеристикой является их гибкость.
Посуда и пищевые контейнеры печатаются из безопасных, нетоксичных пластмасс. Это либо PLA, либо уже упомянутый полипропилен (PP), и в отличие от первого, они гибкие. Существует также PETG, безопасная для пищевых продуктов комбинация PLA и ABS, которая более устойчива к атмосферным воздействиям.
Существует множество разновидностей 3D-принтеров с различным дизайном и используемыми технологиями печати. Однако все они имеют общие принципы работы. Каждый слой печати основан на определенном образце трехмерной структуры матраса. Печать осуществляется автоматически и обеспечивает более точное воспроизведение трехмерной модели.
FDM
Моделирование моделей в матрасы (FDM), также известное как волокнистые структуры, является самым популярным и высокопроизводительным видом 3D-печати.
Типичное устройство FDM функционирует как роботизированный пистолет для горячего клея, поскольку развитие технологии FDM когда-то началось с экспериментов с клеем-расплавом. Пластиковые стержни укладываются слоями, проходя через горячее сопло, где они плавятся и выходят наружу. Этот процесс повторяется много раз, пока не будет создан окончательный 3D-объект.
Единственное отличие заключается в том, что в 3D-принтерах используются не стержни горячего клея, а пластиковые нити, заключенные в катушки.
Наиболее распространенными материалами FDM (FFF) являются пластики ABS и PLA.
Пластиковая нить, или пряжа, производится таким образом, что она легко плавится при определенных температурах, но очень быстро застывает после охлаждения до нескольких градусов. Это позволяет печатать 3D-изделия со сложной геометрией с высокой точностью.
Проще говоря, 3D-печать отличается от обычной 2D-печати тем, что она повторяется снова и снова, один слой за другим. В конечном итоге тысячи слоев образуют 3D-объект.
FDM-принтер на примере MakerBot Replicator 2
Стереолитография
Стереолитография использует свет для «развития» объекта в контейнере, содержащем фотополимеризованную смолу. Как и в других методах 3D-печати, изделие отверждается светом для формирования слоев на матрасе путем отверждения жидкого фотополимера.
Стереолитография отличается от FDM тем, что отпечаток получается более монолитным, даже если слои имеют одинаковую толщину.
Фото: отпечатки FDM и SLA, оба со слоем 0,1 мм.
В этом и заключается разница в технологии — свет фотополимера дает более точный слой, чем расплавленная нить, выходящая из сопла FDM-принтера.
SLA и DLP — это два типа стереолитографии. SLA — это лазерная стереолитография, а DLP — цифровой просмотр. Разница между ними заключается в том, что SLA использует лазер в качестве источника света, а DLP — проектор.
Независимо от технической функции, принцип работы устройств SLA и DLP схож. Чтобы начать печать, специальная строительная платформа должна быть опущена в резервуар с жидкой фотополимерной смолой.
Платформа останавливается на один слой выше дна контейнера. Источник света освещает принтер. Под воздействием света жидкий полимер становится твердым и прилипает к строительной платформе. Затем платформа поднимается на другую высоту слоя, и процесс повторяется.
SLA-принтер на примере Formlabs Form 2
SLA дает более гладкую поверхность по сравнению с FDM, а также по сравнению с DLP, что объясняется ниже.
Это происходит потому, что DLP проецирует слои в виде пикселей, в то время как лазерный луч SLA постоянно движется, создавая гладкий слой пикселей.
DLP использует проектор для той же цели, а LED DLP — ультрафиолетовый ЖК-дисплей. В таких конструкциях свет одновременно отображается на смоле по всей площади матраса. Это дает преимущество в скорости при печати больших объектов со 100% заполнением — полнослойное освещение быстрее, чем SLA.
Однако при печати небольших или полых объектов SLA работает быстрее благодаря более высокой интенсивности освещения лазерного луча и, следовательно, более высокой скорости полимеризации.
DLP-принтер на примере SprintRay MoonRay S
SLS
Ключевое преимущество технологии перед FDM и SLA заключается в том, что печать SLS не требует создания поддерживающих структур. Это связано с тем, что материал поддержки — это материал, окружающий модель. После этого весь объем принтера заполняется. SLS-принтеры работают с широким спектром материалов, и их отпечатки более мощные, чем большинство отпечатков FDM или стереолитографии.
Благодаря своей долговечности компоненты, напечатанные на SLS-принтерах, могут использоваться как в практических целях, так и в качестве оригинальных и декоративных элементов.
Чтобы создать объект, машина направляет лазер на тонкий слой пыли, который связывает частицы вместе, образуя слой продукта. Затем устройство наносит следующую порцию пыли на поверхность покрытия и разглаживает ее, а лазер расплавляет ее для создания следующего слоя продукта. Процесс повторяется до тех пор, пока печать не будет завершена.
SLS-принтеры имеют недостатки. Их стоимость. Они очень дороги по сравнению с FDM и SLA/DLP. Это связано с ценой высокоэнергетических лазеров, необходимых для такой печати. Действительно, стоимость самого дешевого SLS-принтера недавно начиналась от 200 000 долларов США.
Однако в настоящее время некоторые компании работают над тем, чтобы сделать эту технологию более доступной, поэтому в ближайшем будущем некоторые любители получат доступ к SLS-принтерам. Примером может служить польская компания Centalit.
SLS-принтер на примере Sinterit Lisa Pro
Напечатанные методом SLS модели не нужно снимать с подложки, их можно использовать без постобработки и просто убирать лишнюю пыль.
SLS идеально подходит для создания объектов со сложной геометрией, двигателей, мотоциклов и точных промышленных изделий для эксплуатационных испытаний.
Что можно напечатать на 3D-принтере?
Возможности безграничны, и 3D-принтеры сегодня являются обычными инструментами в машиностроении, промышленном дизайне, строительстве и архитектуре. Вот некоторые стандартные приложения:.
Персонализированные (Custom) модели
Создавайте индивидуальные изделия, идеально соответствующие вашим требованиям к размерам и форме. Создавайте то, что не под силу другим технологиям.
Быстрое прототипирование
С помощью 3D-печати можно быстро создавать модели или оригиналы, что позволяет инженерам, дизайнерам и компаниям в короткие сроки получать отзывы о своих планах.
Сложная геометрия
Модели, которые трудно представить, можно легко создать с помощью 3D-принтера. Эти модели подходят для обучения других людей сложной геометрии интересными и полезными способами.
Снижение затрат
Стоимость 3D-печати конечных компонентов и прототипов низкая благодаря используемым материалам и технологии. Модели можно печатать многократно, используя только необходимые материалы, что сокращает время и расход материалов.
