Что такое 3D-принтер, принцип его работы и применение

Технология 3D печати

Рассматривая виды и характеристики 3д принтеров нужно понять, что представляет собой технология 3D печати. Основная суть работы принтера — создание объемных моделей, обработка цифрового макета и реализация его в пластике или другом подходящем материале. В результате можно получить физический объект, который можно использовать по назначению. Для работы технологии требуется:

3D принтер — устройство для создания послойным способом макета, посредством использования специально созданной в компьютерной программе объемной 3D модели;
подходящий материал для производства;
средней мощности компьютер для обработки заданных параметров.

Технологии печати такова, что для начала работы прибора требуется его подключение к компьютеру, так же в некоторых моделях принтера можно загружать макеты на носителе информации (карты памяти и т.п.)

Разъем подключения и кард-ридер.

Как создают изделия?

Практически все объекты на трехмерных печатающих аппаратах создаются по технологии послойного синтеза объектов. При таком механизме работы рабочая фракция наслаивается друг на друга снизу вверх, пока получившаяся заготовка не будет в точности повторять исходную модель. Есть еще и фотополимерная печать или стереолитография, где материал застывает под воздействием лазерного луча.

Вопреки расхожему мнению не только пластик может быть основой для создания трехмерных элементов. Многие аппараты также могут использовать фотополимерные смолы, металлический порошок и металлоглину. Процесс являет собой череду непрерывных циклов, в ходе который печатающая головка движется без остановки, пока полностью все изделие не будет готово.

Недостатки 3D-принтеров

Минусы есть у всего, и 3D-принтеры — не исключение. Поэтому на сегодняшний день у технологии существует определенное количество недостатков.

И первый из них — это, наверное, размеры печати. Вы видите на фотографиях «шкафчики» этих принтеров — и вот именно ими всё и ограничивается. Принтер может напечатать только то, что поместится на платформе. А что-то больше этого — разве что по частям, а затем части придется тем или иным образом склеить. И даже несмотря на то, что уже сейчас существует прототип 3D-принтера, размеры рабочей платформы которого практически не ограничены ничем, о массовом внедрении такой технологии говорить пока рано.

Второй недостаток касается самой технологии. Послойная структура сама по себе означает, что между этими слоями всегда будет некий рубеж, переход: поверхность останется матовой и шероховатой. Конечно, последующая обработка может «сгладить углы» во всех смыслах, но эта «доработка напильником» явно не говорит в пользу технологии. К тому же, слоистая структура означает меньшую плотность и, соответственно, меньшую прочность объекта, по сравнению с цельными деталями.

Третий недостаток — достаточно высокая цена 3D-принтеров на сегодняшний день. Они стоят от 20 тысяч рублей, а хорошая модель стоит в среднем 100 тысяч, и пока подешевение не ожидается.

3D ручка: какой пластик выбрать

Каждый производитель предлагает собственный филамент для своих моделей, но если устройство рекомендовано для использования детьми, то будут использоваться только безопасные сорта. Популярные бренды предлагают использовать ABS, PLA или водорастворимый пластик.

Чтобы узнать, какой пластик нужен для 3D ручки, достаточно просмотреть в инструкции разработчика. Но покупатель имеет возможность выбирать тип филамента в момент приобретения ручки.

ABS и PLA принципиально отличаются между собой не только происхождением и составом, но и кругом функциональных возможностей. Сырье PLA используется для создания острых углов, полупрозрачных моделей, формирования объемных деталей с возможностью послойного наложения пластика. Готовые детали могут свободно отделяться от поверхности основания из бумаги, керамики или стекла.

Что такое 3D принтер и для чего его используют

Современные строительные технологии – очень востребованный товар, специалистов в этом деле принимают с распростёртыми объятиями, переманивая у конкурентов. Гонка почти космическая – кто первым выложит на рынок инновацию, тот и получит супервыгоду. Неудивительно, что трудолюбивые китайцы уже не просто изобрели, но и стали чуть ли не массово выпускать строительные принтеры. Они продемонстрировали миру, как всего один агрегат за 30 дней построил целый поселок. Не отстают от них и другие страны, отечественные производители тоже включились в этот бизнес и пока на их стороне очевидная выгода – устройство строительного принтера довольно габаритное.

Гораздо проще заказать трехмерный станок в России, чем везти из-за рубежа с немалыми транспортными и таможенными расходами

Итак, что такое 3D принтер и как он работает? Главная задача механизма состоит в последовательной послойной подаче строительной смеси на площадку. Программное обеспечение руководит сервоприводом, заставляя его оставлять места для оконных и дверных проемов, прокладки коммуникаций. Материалом строительства является обычный пескобетон, а также смеси на основе гипса, фиброволокна и геополимеров.

Работа устройства требует предварительной подготовки площадки и проекта здания.

Все особенности строительства вносятся в управляющую программу, в ходе работ оператор следит за процессом и вносит необходимые коррективы

От обычной печати 3D принтером строительный отличается, разве что, габаритами и используемым сырьём. Раствор подается с помощью автоматического экструдера. Благодаря компьютерному управлению, движения головки принтера имеют отклонения, разве что, в пару миллиметров.

Управление процессом печати

Как правило, пользователю нужно произвести ряд настроек непосредственно перед началом печати.

Подключение оборудования к ПК осуществляется через USB-кабель.
Калибровка перемещения сопла относительно платформы.
Настройка и управление нагревом платформы и сопла-дозатора.
Мониторинг соотношения температур.
Управление процессом печати (экструдером) – настройка скорости подачи материала, замена бобин пластика.

Контроль над печатью осуществляется через ПК. Для создания объекта от идеи до результата пользователю необходимы специальные программы для трехмерного моделирования и управления аппаратом.

Перед запуском печати оператор калибрует принтер, настраивая его относительно стола-платформы. Базовая прошивка принтера представляет собой ряд настроек по умолчанию, а пользователь производит более точные настройки, в зависимости от используемого материала. Так, для создания объемных элементов на основе ABS или PLA задается разная температура плавления. В процессе печати, оператор через ПО следит за работой. Весь процесс создания модели может занимать от нескольких часов до суток, здесь ключевым фактором является точность исполнения: точные объекты с детальной прорисовкой производятся дольше, чем более грубые.

Образование

Использование технологии 3D печати в образовании позволяет получить наглядные пособия, которые отлично подходят для классных комнат любых образовательных учреждений, начиная от детских садов и заканчивая вузами.

Современные 3D принтеры отлично подходят для классных комнат, поскольку имеют повышенную надёжность, не выделяют во время печати вредных для здоровья продуктов, не предъявляют особых требований к утилизации, не содержат режущих и бритвенных материалов, не имеют лазеров.

Наглядные пособия, напечатанные 3D принтером для учреждений среднего профессионального образования

Предполагается, что оснащение образовательных учреждений конструкторских или дизайнерских специальностей 3D принтерами поспособствует повышению эффективности образовательного процесса и быстрому усвоению знаний учащимися и студентами.

Как запрограммировать 3D-принтер?

Получить качественное изделие, напечатанное на 3Д принтере нпользователь не сможет, если перед этим не настроить оборудование как следует. Читай краткую инструкцию, чтобы не ошибиться:

Определись с исходником. Создай собственный вариант будущего экземпляра в специализированной программе для чертежей или поищи в интернете подходящий вариант.
Подготовь шаблон. Чтобы прибор смог напечатать то, что нужно, он должен «понимать» как это сделать. Программы-слайсеры разбивают модель на составляющие, задают координаты и скорость движения печатающей головки,ее скорость и толщину слоев.
Перенаправь шаблон на принтер. После обработки в программе-слайсере модель передается на устройство, которое и запускает процесс создания объекта.

Тебе останется только наблюдать за процессом. Но хотим тебя предупредить: это займет время, поэтому лучше завари себе чай и прими удобную позу.

Где применяют 3D-печать?

Объемная печать применяется во многих сферах:

медицина. Помимо прототипирования 3D-принтеры используются в фактическом изготовлении протезов конечностей и других частей тела человека. Кроме того технологии позволяют распечатывать органы;
строительство. Специальные установки способны печатать стены из цементной смеси, создавая готовые строения. Меньше чем за сутки установка может построить двухэтажный дом;
космическая промышленность и авиация. Повсеместно печатается оборудование для ракет, космических станций, авиакомпоненты;
промышленный дизайн и архитектура. Крайне удобно создавать трехмерные макеты домов, поселков, микрорайонов используя гипсовый композит;
образование. Принцип работы 3д принтера таков, что его крайне удобно использовать для создание учебных пособий школьников, студентов и так далее.

Область развивается стремительно и уже сейчас поражает воображение своими возможностями. 3D-принтеры – это будущее многих областей промышленности, способное перевернуть представление о многих процессах.

Как выбрать 3D принтер

Выбирая принтер, в первую очередь надо определиться с тем, по какой технологии происходит печать. Прибор любительского уровня, а только такой потенциально может купить себе среднестатистический потребитель, а не целое предприятие, работают на основе разработки под названием Пластик Джет (PJP), в некоторых источниках она обозначается как Fused Deposition Modeling (FDM) или Fused Filament Fabrication (FFF). По сути это одно и то же.

Виды материалов для любительской печати

В основном для печати на устройствах такого типа используется пластик с разными характеристиками. Фасуется он в виде пластикового шнура, намотанного на катушку, или нарезанного соломкой. Массово используется пластик двух видов: ABS и PLA.

АБС пластик безопасен, не токсичен, подходит для детских изделий, более того, с ним можно работать в присутствии детей. Изделия из него прочные, долго служат. Недостаток пластика – теряет товарный вид на солнце и на сильном морозе. Его чаще используют в профессиональном изготовлении деталей.

ПЛА пластик (полилактид) более хрупкий, служит не так хорошо. Зато он более пластичен и дает больше возможностей для сложных форм. Он является натуральным продуктом, так как производится из кукурузы и сахарного тростника. В утилизации он экологичен, на 100% разлагается на безопасные компоненты. Изделия из PLA устойчивы к истиранию, держат свою геометрию. Следовательно, пластик отлично подходит для движущихся элементов. В целом, это скорее любительский вариант пластика.

Альтернативные материалы для 3D печати

Помимо пластика для работы на таких принтерах используют следующие материалы.

Нержавеющая сталь. Используется только в профессиональном оборудовании. Дает большие возможности для изготовления деталей.
Дерево. По факту не дерево, а смесь связывающего полимера с деревянной добавкой. Этот материал стоит очень дорого, в работе особых навыков не требует. Изделия из него «теплые», внешне не отличить от дерева.
Смола тоже стоит дорого. Из нее можно распечатать детали высокой точности, с великолепным качеством поверхности – гладкие и прочные. Под действием солнца смола теряет прозрачность.
Нейлон. Применяется в основном для изготовления элементов промышленного и медицинского назначения.

Характеристики 3D принтеров

Чтобы выбрать принтер или провести анализ для выявления лидера, надо понимать, какие характеристики устройств являются ключевыми.

Область печати. Этот параметр определяет максимальный объем деталей, которые возможно создать с помощью данного оборудования. В документации указывается или объем в куб.см или предельные линейные размеры в мм.
Разрешение печати (слоя). Это толщина слоя, которым наносится материал. Чем выше разрешение, тем тоньше наносится пластик, рельефы спокойные, поверхность качественная. Ниже эта величина – детали выходят более «топорными», без тонкой проработки. В некоторых приборах данный параметр может выставляться оператором.
Экструдер. Это рабочий узел принтера, который отвечает за подготовку (разогрев) и выдачу материала. Пластик (или другое сырье) размягчается под действием высоких температур в сопле и подается на печать (экструдируется). В состав данного узла входит непосредственно сопло, транспортер для шнура (нити пластика), температурный контролер и охлаждающий механизм. 3D принтеры с одним экструдером за проход могут работать только одной нитью. Чтобы появилась возможность многоцветной печали, в приборе должно быть, по крайней мере, 2-3 экструдера. В промышленных устройствах возможен вариант одного узла с двойным соплом. Это дорого, и бытовые устройства так не оборудуются.
Принтеры могут «коннектиться» с внешними устройствами (компьютером, смартфоном или просто внешней памятью) посредством USB и/или Wi-Fi. Не всегда это является обязательным условием для работы.
Прошивка принтера (программное обеспечение). По умолчанию оно является предустановленным. В его обязанности входит распознание, обработка документов в формате stl для последующей печати. Создаются же эти файлы в профессиональных программах, вроде Скетчап и Autodesk Inventors Fusion.
Дополнительные функции. Эргономика, дизайн и другие детали не вмешиваются в рабочие процессы в принтере, но часто определяют его стоимость.

Нестандартные вещи, которые были изготовлены при помощи устройства объемной печати

Стоит ли упоминать, что первый экспериментальный образец робота-рыбы полностью сделан на 3D принтере? Начиная от плавников и заканчивая покрытием всего скелета. Данный образец проходил испытания в одном из исследовательских центров Великобритании, где занимаются наблюдением за животными. Но это далеко не все необычные предметы, созданные на 3D принтере.

Точная копия костей тиранозавра, выставленная в одном из европейских музеев, выглядит весьма внушительно, а благодаря пористой структуре материала, ее не отличить от оригинала. При прикосновении возникает эффект «настоящей кости», и, как показал эксперимент, практически ни один испытуемый не смог отличить, где подлинник, а где дубликат.
Впрочем, это далеко не самое оригинальное применение высоких технологий. Так, например, один из американских ветеранов, лишившийся части лица во время боевых действий, смог примерить на себе протез, который идеально подходит под его размеры головы.
Так же памятен случай, когда раненой птице часть крыла, пострадавшую при нападении хищника, успешно напечатали на 3D принтере, после чего она снова смогла летать.
Команда по связям с общественностью университета города Принстон заявила, что ученым удалось напечатать на принтере ухо, способное распознавать различные звуки, причем, по заверениям разработчиков, с этой задачей оно справляется не хуже настоящего.
Несколько лет назад двое дизайнеров решили, что шить одежду — это слишком скучно и долго. Они представили миру первый купальный костюм, полностью напечатанный на устройстве объемной печати. Модель получилась весьма изящной, но создатели в своем выступлении сделали упор на то, что в будущем вся одежда должна сканироваться и печататься на каждого отдельного человека, а не по заданным лекалам.
Если в случае, когда протез лицевой части у ветерана военных действий имел небольшой размер, то протез черепной коробки заменил в общей сложности 75% костной ткани. На данный момент этот случай в медицине является уникальным. Операция прошла в 2013 году, пациент до сих пор жив. Про неоднократные успехи в печати и последующем протезировании нижней челюсти рассказано уже много, достаточно лишь упомянуть, что подобная практика в наши дни стала уже привычной и не вызывает былого удивления.
В том же 2013 году на 3D принтере напечатали первый в мире пистолет.
Производители музыкальных инструментов не желают отставать от современных тенденций. Так, Олфан Дигель, известный в мире музыкальных инструментов, выпустил первую коллекцию бас-гитар, полностью напечатанных на станке. Их стоимость остается довольно высокой, но за эксклюзив приходилось доплачивать во все времена.
Автомобиль. Да-да, вы не ослышались. Частный пользователь из Новой Зеландии в течение года распечатывал у себя дома самый настоящий Aston Martin DB4, блок за блоком. Сегодня работа практически завершена. Это лишнее подтверждение тому, что при помощи станка можно сделать все что угодно, причем в домашних условиях.

Современный уровень развития технологий не позволяет делать точных прогнозов, куда шагнет массовый рынок уже завтра, в нем можно лишь угадывать определенные склонности и тенденции. Одно можно сказать с уверенностью: 3D принтеры будут набирать популярность и все более активно входить в повседневную жизнь. Использовать их удобно: они экономят время и место, необходимое для организации бизнеса, являясь более компактным устройством. Сфера их применения практически безгранична, ведь нас окружает мир предметов, каждый из которых может быть напечатан (хотя бы частично) на принтере.

Ювелирные изделия

Как известно, при изготовлении ювелирных изделий самой трудоёмкой процедурой является создание восковых прототипов, которое требует колоссальных затрат времени. С появлением 3D принтеров у ювелиров появилась возможность быстро выращивать восковые модели украшений, предварительно разработанные в специальной программе.

Прототипы ювелирных украшений, напечатанные 3D принтером

Для создания прототипов ювелирных украшений с использованием 3D принтера используется специальный материал, по своему составу похожий на ювелирный воск.

Для печати прототипов ювелирных украшений можно использовать следующие 3D принтеры: Soldscape T76, Eden 260V и 500V, Objet260 Connex и др.

История появления

История создания подобной техники зародилась еще в середине 80-х годов прошлого столетия, но слабое развитие компьютерных технологий «заморозило» активное внедрение трехмерной печати в быт и производство.

Ощутимый старт 3Д-принтеры получили только в 2005 году, наряду с совершенствованием компьютерных возможностей. Тогда публике был представлен первый трехмерный принтер, который печатал в цвете. Впоследствии техника претерпела немало изменений, было разработано современное программное обеспечение для управления процессом печати. В результате пользователям стал доступен функциональный агрегат, способный «печатать» чехлы для телефонов или новые 3D-принтеры.

Первый 3D принтер

Примеры домов, построенных с применением 3D-печати

Ещё раз, давайте полюбуемся на причудливые строения, созданные искусственным интеллектом. Вполне вероятно, что подобные строения прочно войдут в нашу жизнь. А также посмотрим, как работают самые трудолюбивые каменщики в мире.

1 из 8

А если у вас идеи, как можно использовать 3D-печать в строительстве, расскажите об этом другим читателям нашего онлайн журнала Homius.ru.

Watch this video on YouTube

Предыдущая Новинки рынкаИзысканно и шикарно: как использовать обожженное дерево в интерьере
Следующая Новинки рынкаКрепче стали: почему выгодно использовать стеклопластиковую арматуру вместо традиционной

Принтер-гигант и принтер-ремонтник

Не все 3D-принтеры предназначены для одних и тех же действий. Так, например, в Центре аддитивных технологий «Ростеха» есть большой 3D-принтер, способный напечатать детали размером до полуметра. Такие использует Boeing: компания использует напечатанные титановые компоненты двигателей на пассажирском самолете Dreamliner 787.

При этом самолет — не единственное, что можно будет создавать на 3D-принтере. Например, стартап Relativity Space хочет в 2021 году запустить на орбиту первую в мире ракету, полностью напечатанную на 3D-принтере. И это не какие-то мечтатели, грезящие о звездах: они уже привлекли $700 млн инвестиций, а значит, в проект верят.

Футурология

Бизнес в космосе: предприниматели рассказали о трендах и будущем отрасли

Другой интересный объект — принтер-ремонтник. Он способен не только печатать детали по заданной программе, но и ремонтировать их. Работает эта машина немного иначе: по технологии прямой печати металлом.

Этот механизм состоит из двух основных элементов. Первый — источник лазерного излучения, второй — специальное сопло, через которое в струе инертного газа подается порошок. Струя газа и лазерный луч фокусируются в одной точке, где и происходит плавление порошка — и рост детали. Принтер позволяет ремонтировать сломанные части, а не выбрасывать их. При этом деталь не теряет своих исходных свойств.

Чтобы починить деталь, ее надо отсканировать. Другой вариант — задать управляющую программу, где есть 3D-модель этой детали со сломанным участком. Однако чаще всего используют 3D-сканер, который позволяет получить точный образец детали, которая уже есть. На основе этой модели разрабатывают управляющую программу по ремонту.

Индустрия 4.0

Создать своего цифрового двойника: как 3D-технологии меняют нашу жизнь

Мелкосерийное производство

Профессиональные 3D принтеры постепенно отвоёвывают свои позиции в сфере мелкосерийного производства. Чаще всего данную технологию печати используют для изготовления эксклюзивных изделий, например предметов искусства, фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр, прототипов и концептуальных моделей будущих потребительских товаров или их конструктивных деталей. Такие модели используются как в экспериментальных целях, так и для презентаций новых товаров.

Мелкосерийные модели, напечатанные 3D принтером

Для мелкосерийной 3D печати чаще всего используют системы Dimension, модели Elite и SST 1200ES, а также системы Fortus, модели 400mc и 900 mc.

Плюсы и минусы применения 3D-принтера в строительстве

Преимущества новой технологии привлекают современных застройщиков. Если есть необходимость в короткие сроки и с минимальными затратами построить комплект объектов, принтер просто необходим. Затраты сокращаются за счёт сокращения рабочих мест, ведь для этого большого 3D принтера требуется всего один оператор и водитель с бетономешалкой.

Еще один плюс: практически исключена вероятность строительного брака. Человеческий фактор исключен, всем процессом руководит компьютерная программа, а оператор по факту лишь включает и выключает устройство

И, наконец, несомненным преимуществом является существенное сокращение сроков строительства. Работы на 3D принтере могут вестись круглосуточно, ему не требуется специальное освещение или выходные дни.

Прежде чем вы озадачитесь покупкой строительной машины, обратите внимание и на её недостатки:

для строительства невозможно использовать вибробетон, требуются смеси с высокой скоростью схватывания и затвердения;
пока не разработана четкая методика армирования конструкций;
нет возможности удалять воздух методом виброобработки, могут образовываться полости с воздухом, что снижает прочность конструкции;
работать 3D принтером можно только при положительной температуре в сухую погоду.

Есть ограничение проектов по высоте – не более четырех этажей

Зарплата 3D-моделлера

Если посмотреть, сколько зарабатывают 3D-моделлеры в столице и регионах, то получится следующий диапазон:

Стоит отметить, что среди рассмотренных вакансий для 3D-моделлеров много таких, где от соискателей вовсе не требуется опыт. Вот пример таких объявлений для Москвы и Санкт-Петербурга:

Ну а вот примеры вакансий для 3D-моделлеров без опыта в регионах:

Для опытных соискателей зарплаты предлагают повыше, но здесь часто нужно быть универсалом, объединяя функции 3D-артиста, визуализатора, 3D-дизайнера:

При просмотре вакансий нетрудно заметить, что в большинстве из них примерная зарплата даже не указывается, а установить размер оклада соискателям предлагают в процессе собеседования. Вот пример одного из сотен подобных объявлений с предложением работы:

Еще один важный момент, касающийся вакансий для 3D-моделлеров, многие из них допускают удаленный формат работы. Соответственно, жители небольших городов легко могут устроиться на работу в компании из крупных мегаполисов, где уровень зарплат значительно выше, чем в их населенных пунктах.

Виды 3Д-принтеров для строительства дома

Как мы уже замечали выше, тип 3D-принтера напрямую зависит от типа и модификации здания. Которое он возводит. От этого зависит и размер самого принтера, объем бетономешалки, а также сопла, который подает строительную смесь.

Вариации конструкций строительных 3D-принтеров

Впервые дома по данной технологии стали массово возводить в Шанхае. Одна из первых 3D-машин, поразившей своими размахами и размером стал принтер WinSun. Длина рабочей зоны составляла 150 метров, а ширина 10. Такой принтер способен за несколько дней напечатать здание высотой 6 метров.

Дом, напечатанный чудо-принтером

Интересно, что в качестве технологической изюминки китайские инженеры использовали специальное стекловолокно, которое, с одной стороны, удешевляло строительные работы, а с другой – делало бетонную смесь менее теплопроводной. Тестовые образцы позволили компании сэкономить половину бюджета на возведение дома по новой технологии.

Европейские же инженеры, к примеру, голландские предпочитают печатать не собственно дома, а строительные материалы, с помощью которых эти дома можно возводить, считая (в чем-то справедливо), что более качественно работа будет сделана всё-таки человеческими руками и головой.

3D-принтер: большой потенциал объемной печати