PET-пластик
Данный представитель выделяется из всего обзора материалов для 3D-принтера. Во-первых, из полиэтилентерефталата, или ПЭТ, изготавливаются обыкновенные пластиковые бутылки. Во-вторых, его повсеместная доступность сделала материал одним из самых популярных. Существуют даже специальные перерабатывающие установки для бытового применения и изготовления ПЭТ-нитей.
По прочности и гибкости свойства ПЭТ-пластика схожи с АБС. При этом слои отлично схватываются, обеспечивая модель высокой степенью прочности.
Средняя температура печати такого вида материала составляет около 212-224 градусов.
Основные технологии 3D-печати
На сегодняшний день существует множество технологий объемной печати, но все они так или иначе делятся на несколько методов.
В 3D-принтинге (для лучшего понимания) чертеж принято называть моделью, а полученный предмет — макетом.
Методы печати
Интересно, что методы 3D-печати чем-то напоминают методы обычной (читай — 2D) печати на бумаге.
- Спекание SLS (Selective Laser Sintering). Материал в виде порошка наносится тонким слоем, а затем спекается при помощи лазера. Так, слой за слоем, создается макет.
- Экструзия, или нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modeling). Сопло принтера (экструдер) расплавляет материал до жидкого состояния и наносит его тонким слоем. Охлаждаясь, пластик вновь кристаллизуется.
- Фотополимеризация. Сопло принтера наносит тонкий слой жидкого фотополимера, который под действием ультрафиолетового облучения затвердевает.
- Стереолитография SLA (Stereo Lithography). Участок жидкого фотополимера засвечивается лазером и затвердевает. Затем образованный затвердевший слой снова помещают в жидкий полимер и засвечивают лазером. Так появляется второй слой.
В зависимости от метода 3D-печати устройство может быть как монохромным, так и цветным. FDM-принтеры, работающие по принципу экструзии, печатают макеты только одним цветом. Хотя есть модели с несколькими печатающими головками, в каждую из которых можно загрузить нить разного цвета.
Как работает и печатает
Создание модели
После сборки и настройки (калибровки) необходимо создать печатаемую трехмерную модель в 3D-редакторе.
- 3D-моделирование. В программе для трехмерного моделирования создается модель. Крупные прототипы, которые не поместятся в камеру принтера, делятся на несколько помельче. Трехмерная модель отправляется в программу-слайсер для формирования G-кода.
- G код. Слайсер – приложение для автоматической подготовки цифровой модели в формате STL к печати на 3D-принтере – генерирования G-кода. Слайсер нарезает модель на слои и описывает движения печатающей головки и ее действия, необходимые для формирования прототипа. На основе G-кода печатающая каретка передвигается по заданной траектории, а сопло наносит материал в указанные моменты.
Параметры печати
О скорости пока речь и не идёт. Понятно, что создание одного объекта займет далеко не один час работы принтера, поэтому выбор 3D-принтера сегодня состоит в выборе между параметрами и решении, насколько тот или иной параметр важен.
И самый главный из них — разрешение печати. Здесь под этим понятием подразумевается минимально допустимая высота слоя материала, с помощью которого может печатать данный 3D-принтер. Разрешение печати принято обозначать в микрометрах (мкм, микрон, тысячной доле миллиметра). Понятно, что чем тоньше слои, тем меньше заметен переход между ними: в итоге поверхность объекта более гладкая, а детали — более выразительные. Обратная сторона высокого разрешения — увеличенное время печати, большая нагрузка на печатающие механизмы и быстрый износ. Разрешение печати зависит от технологии работы принтера, точности печатных механизмов, выбранного материала и настроек приложения.
На сегодняшний день самый точный 3D принтер может печатать с высотой слоя в 50 мкм.
Вторая важная характеристика — рабочий объём (он же — «область печати» или «зона печати»). От него зависит размер напечатанного объекта. Фактически он обозначает зону досягаемости (охвата) печатающей головки принтера в трех плоскостях.
Третий пункт — какими типами пластиковых нитей может печатать принтер. Самыми распространенными на сегодняшний день являются ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полилактид). Некоторые принтеры могут печатать обоими типами, некоторые — только одним из них. Но кроме этих двух типов есть и другие (ещё парочка самых распространенных — HIPS — ударопрочный полистирол и PVA — поливинилацетат), и все они обладают рядом физико-химических характеристик: растворимость в воде, гибкость, структура и запах, прочность и даже свечение в темноте. Возможность печати тем или иным пластиком обуславливается наличием/отсутствием подогрева платформы (который в идеале должен присутствовать), рабочим диапазоном температур экструдера (нагревательный элемент, который плавит пластик) и конструкцией камеры для печати. В идеале лучше всего выбирать принтер с максимальным количеством поддерживаемых нитей, чтоб не ограничивать себя — как сейчас, так и в будущем.
А последний пункт, как ни странно, — страна-производитель. Сейчас на российском рынке можно найти модели из США и Европы, китайские и российские. Американские и европейские модели зачастую завозят в Россию небольшими партиями, а сами компании-производители не имеют официальных представителей в России. Качество китайских моделей на порядки отстаёт от всех прочих, понятное дело, и тут выигрыш идёт больше уже в цене.
Критика и проблемы
Медленно и без гарантий: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромная проблема в любительских принтерах — брак. Например, деталь может отклеиться от подложки прямо во время печати, и произойдёт ад. Или моторы раскалибруются, и сопло начнёт промазывать мимо нужных мест.
Низкая эффективность: чтобы напечатать деталь 10 × 10 см, нужен принтер размером как минимум 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.
Не самые прочные материалы: 3D-печать пока что ограничена пластиками и смолами. Есть отдельные технологии печати на базе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нормальный токарь и станок. Но на станке можно сделать не всякую деталь.
Не всегда понятно зачем. В промышленности 3D-принтеры используют для прототипирования, но в массовом производстве эти технологии не используются. Для домашнего применения тоже неясно: на 3D-принтерах печатают маленькие пластиковые штучки для любительских проектов… и всё. Очень мало случаев, когда обычный человек мог бы захотеть напечатать у себя дома что-то применимое в хозяйстве.
Подготовительный этап
Перед грунтовкой и покраской объекта, рекомендуется предварительно установить его на специальный малярный блок при помощи штифта. Малярный блок – это деревянный стенд, который поддерживает объект пока он красится и грунтуется.
Окраска PLA: Подвешенный шлем, готовый к последним штрихам. Возьмите деревянный штифт, и при помощи долото и сверла, равное диаметру штифта, просверлите отверстие в в незаметной части вашего объекта. Вставьте штифт в отверстие и надежно зафиксируйте на нем объект. (В качестве альтернативы можно использовать естественное отверстие или подходящую наклон поверхности вашего объекта). Затем, сверлом такого же диаметра просверлите отверстие в деревянной площадке и установите в него штифт. Он должен быть установлен жестко и не болтаться, чтобы объект был сбалансирован и не упал с него в самый неподходящий момент. Теперь у вас есть возможность нанести равномерный и гладкий слой грунтовки или краски на поверхность, не касаясь его руками и не рискуя оставить следы от пальцев. Так же помните, что на не высохшей грунтовке и краске, может оседать пыль, поэтому работайте в чистом и проветренном помещении, с хорошим освещением. Большинство аэрозольных красок, содержат вредные растворители, которые могут вдыхаться. Поэтому рекомендуется надеть респиратор и нитриловые перчатки. В идеале лучше иметь покрасочную камеру, повесив с трех сторон полиэтиленовую пленку. Это предотвратит распыление краски по помещению и уменьшит количество пыли и грязи, которые могут оседать на покрашенный объект во время высыхания.
Какой 3D-принтер лучше выбрать для бытового использования?
Забегая наперед, отметим, что пока стоимость бытовых 3D-принтеров остается относительно высокой, но в дальнейшем имеем все шансы наблюдать удешевление технологии. Вспомните, когда появились мобильные телефоны, они также были доступны только очень богатым людям.
Цели использования домашнего 3Д-принтера могут быть совершенно любыми: от простого баловства и знакомства с новой технологии до печати полезных в хозяйстве мелочей и моделей-прототипов для бизнеса
В любом случае, при выборе обращайте внимание на такие ключевые характеристики устройства:
разрешение печати (точность печати) – это минимально возможная высота слоя, которую может напечатать принтер. Обозначают разрешение в микрометрах (тысячная доля миллиметра). Чем меньше высота слоя, тем менее заметным будет переход между ними, и тем более гладкой будет поверхность печатаемого объекта. С другой стороны, чем меньше слой, тем больше времени принтеру понадобится на печать и тем выше нагрузка на все его элементы. Разрешение зависит от технологии (SLA позволяет печатать точнее, чем FDM), точности работы печатающих головок, настроек программного обеспечения и выбранного материала для печати;
- скорость печати напрямую зависит от точности: чем выше точность, тем меньше скорость выращивания модели.
- область печати говорит о том, какого размера объект можно напечатать на принтере. Другими словами, это зона возможной досягаемости печатающей головки по горизонтальным осям X и Y, а также по вертикальной оси Z. Обычно область печати выражают тремя цифрами – это высота, длина и ширина условного параллелепипеда (например, 20*30*30 мм). У дельта-принтеров область печати имеет форму цилиндра, поэтому указывается его высота и диаметр;
- тип используемых для печати пластиков. В бытовых условиях используются именно пластики, и это могут быть ABS и PLA пластики, некоторые модели могут печатать обоими видами материалов. Возможность печати тем или иным типом пластиков объясняется наличием или отсутствием подогрева платформы. Если вы пока не решили, чем будете печатать, то лучше выбрать модель, которая поддерживает максимальное количество материалов;
- страна-производитель. Европейские страны и США производят качественные, но дорогие устройства, завозятся в небольших количествах, сервисное обслуживание затруднено. Китайские устройства стоят недорого, качество часто оставляет желать лучшего, но для того, чтобы побаловаться, такие принтеры пойдут. Есть еще принтеры российского производства: при неплохом качестве они радуют возможностью сервисного обслуживания.
3DP
Технология 3DP (Three dimensional printing) или “Струйная трехмерная печать” заключается в следующем: на материал в порошковой форме наносится клей, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так весь цикл печати. Данная технология была изобретена в 1993 году в MIT (Массачусетском технологическом институте). Главными преимуществами этой технологии можно назвать возможность добавлять краску в клей (печать разными цветами), возможность использовать в домашних условиях и для бытовых нужд, можно использовать разные материалы в виде порошка (стекло, резина, бронза, дерево и др). Также стоит отметить, что в данном виде печати нет необходимости для создания дополнительных опор для прототипа. Главными недостатками можно считать то, что на выходе получается достаточно грубая модель (печать до 100 микрон) и что часто требуется дополнительная постобработка получившейся детали. Какие-либо изделия, рассчитанные на сильное механическое воздействие, распечатать методом 3DP не получиться. Основное назначение таких 3D принтеров – это печать сувениров и подарков, макетов, а также, если в качестве связующего элемента использовать пищевой клей, печать сладостей, конфет.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
Какие бывают виды?
В 2021 году производители выпускают два вида 3D принтеров:
- FDM (с послойным наплавлением материала). Такие устройства в качестве рабочего материала используют тонкую пластиковую нить (ABS, PLA). Она образует горизонтальные слои пластика, которые последовательно налипают друг на друга. Готовые модели могут быть шероховатыми на ощупь.
- SLA (стереолитографические). Принтеры такого типа работают со светочувствительной смолой, которая переходит из жидкого состояния в твёрдое под воздействием света. Напечатанные изделия получаются гладкими с большим количеством мелких деталей.
Anycubic Photon S
dav
Продолжает наш ТОП еще один представитель Anycubic – 3D-принтер Photon S. Данный аппарат поставляется в собранном виде, так что вы сможете сразу приступить к печати и не будете тратить время на сборку. Принтер оснащен двойными направляющими для оси Z, что повышает точность и стабильность печати, значительно снижает вероятность появления различных дефектов. В качестве расходных материалов этот 3D-принтер использует фотополимерные смолы. И в отличие от многих аналогов, эта модель может работать с фотополимерами разных производителей. Также стоит отметить, что в конструкции устройства предусмотрена 2 фильтра, которые размещены в основании рабочей камеры. Такое решение снижает выделение испаряющихся летучих фракций фотополимера в воздух при работе 3D-принтера. Для управления устройством в нем имеется информативный экран с удобным интерфейсом. Радует, что для печати на Anycubic Photon S не требуется постоянное подключение к компьютеру — 3D-принтер готов к печати с USB-флешки. Если вам нужен простой в управлении и особо-точный 3D-принтер, советую эту модель. Благодаря использованию фотополимеров в качестве печатного материала поверхность деталей получается гладкой, без волн и не требует последующей обработки. Но стоит учитывать, что он имеет довольно маленькие размеры рабочей камеры.
- Материал печати: фотополимерные смолы.
- Размеры печати: 115 х 65 х 165 мм.
- Скорость печати: 10-20 мм/ч.
- Не требует сборки.
- Автономная работа с USB-флешки.
ТРЕТЬЯ ГРУППА: экструдер X, рабочая платформа Y и Z
В третью группу нашей классификации входят 3D-принтеры, у которых экструдер во время работы перемещается вперёд – назад, а рабочая платформа – вправо – влево и вверх – вниз.
Третья группа классификации
К сожалению, 3D-принтеры третьей группы не получили широкого распространения из-за сложности их сборки и настройки. Единственным успешным представителем группы является 3D-принтер UP! от компании PP3DP.
3D-принтер UP!
3D-принтер UP! не требует сборки и настройки перед началом работы, его достаточно достать из коробки, подключить к сети и к персональному компьютеру и можно сразу приступать к печати. Единственным существенным недостатком 3D-принтера UP! является его высокая цена.
Остальные модели 3D-принтеров, разработанные по той же кинематической схеме, не получили широкого распространения.
Поддерживающие материалы
Как вы знаете, 3D принтер начинает печать снизу вверх. Это означает, что если в дизайне вашей модели присутствуют большие выступы в верхней части, которые не имеют какого-либо упора, то вы можете столкнуться с некоторыми сложностями. Пластиковая нить тоже подчиняется законам гравитации и не может выдавливаться в пустоту. В таких случаях может использоваться специальная поддерживающая конструкция, на которую будут опираться выступающие части модели. Такие конструкции могут быть водорастворимыми или же удалятся механическими путями. В любом случае, перед началом постобработки, такие поддержки нужно удалить.
Шлем напечатан в перевернутом виде, с минимальной поддержкой. Если ваша поддерживающая конструкция не является водорастворимой, то вам необходимо ее отломить или отпилить. Например, в данном случае будет удобно воспользоваться бытовым ножом Exacto, делая надрезы в одной плоскости с напечатанной поверхностью. После удаления поддержек, воспользуйтесь наждачной бумагой с зернистостью 200 или 400, аккуратно зачистив следы. На изображении выше, вы можете заметить, что модель была напечатана вверх ногами, для того чтобы не создавать большого количества поддерживающих опор и тем самым сократить время на их удаление. Кроме того, PLA пластик легче шлифовать на больших, ровных участках, таких как верхняя часть шлема. Если ваша поддерживающая конструкция растворимая, то скорее всего вы имеете дело с PVA или HIPS. В этом случае поместите модель в соответствующий растворитель – вода для PVA, лимонен для HIPS. Вода должна полностью растворить структуру за несколько часов. Лимонену потребуется больше времени для растворения HIPS, обычно около 24 часов. В обоих случаях не забывайте время от времени встряхивать контейнеры с растворителем и вашей моделью для ускорения процесса растворения.
Начальный слой
Нанесение начального слоя позволит получить очень глубокий и насыщенный цвет при покраске. Его не стоит путать с грунтованием. Это совершенно разные вещи. Грунтовка служит для улучшения адгезии краски к поверхности. А начальный слой предотвращает появления пятен и неравномерности покрытия.
Начальный слой служит для равномерного скрытия нейтрального цвета основной грунтовки. Такие слои обычно либо сплошные, либо черные. Белый используется для объектов которые будут окрашиваться в светлые тона. Независимо от цвета, начальный слой будет просвечиваться сквозь верхние слои, предавая блеск и непревзойденную глубину. Перед покраской, баллон необходимо так же встряхнуть как и баллон с грунтовкой. Держите баллон также на расстоянии 15 – 20 см от принта и наносите краску очень тонкими слоями. Как только начальный слой высохнет, отполируйте его, используя шлифовальную палочку для ногтей. Затем нанесите второй слой, таким же образом как и первый. После высыхания, нанесите лак и отполируйте.
Что можно напечатать
На 3D-принтере можно напечатать всё что угодно, если у вас есть подходящий материал для печати, готовая модель и достаточно большой принтер.
Прототипы. Часто перед началом производства компании нужно понять, насколько удобной получится вещь в использовании. Чтобы не запускать линию ради одного изделия, его печатают на 3D-принтере и смотрят, что нужно изменить или доработать. На таких прототипах можно заметить, например, что кнопки получились слишком маленькими и их будет неудобно нажимать или что кнопки оказались очень далеко от пальцев и до них нужно будет специально тянуться.
Запчасти и детали. Иногда найти запчасть от какого-то инструмента сложно или почти невозможно: производитель их не выпускает или модель давно снята с производства. В этом случае можно найти в интернете трёхмерную модель нужной детали или нарисовать её самому в редакторе, чтобы потом отправить это на печать.
Медицина. Трёхмерная печать активно используется в медицине для создания новых суставов, тканей и лечения пациентов. Отличие от традиционной печати в том, что вместо пластика там печатают специальными «живыми» растворами, которые взаимодействуют друг с другом и ведут себя как настоящие органы и ткани. Благодаря такой технологии сейчас легко напечатать сустав, который хирург может поставить человеку вместо повреждённого.
Хобби и моделирование. На 3D-принтере легко печатать разные миниатюры, коллекционные фигурки и модели.
Производство других роботов. 3D-принтеры пока не умеют производить сервоприводы и микропроцессоры, но уже умеют печатать корпуса и каркасы роботов.
Дома и здания. Берём здоровенные рельсы с моторами и контроллерами. Устанавливаем подвижное сопло, на которое можно подавать строительную смесь (бетон или полимеры). Можно печатать стены зданий. В отличие от традиционных технологий строительства из кирпича, панелей и блоков, форма стен и здания в целом может быть любой. Фундамент, перекрытия и крыша пока что не печатаются, но это пока.
Представьте: отправляем на Марс полсотни 3D-принтеров на подвижной основе. За год каждый из них печатает ещё по 100 принтеров. Далее все эти 5 000 принтеров разъезжаются по Марсу и начинают строить первую колонию. Пока они строят, мы заказываем в Икее мебель, оформляем доставку, и как раз к моменту доставки наши роботы всё допечатают. Яблони на Марсе вряд ли зацветут, а вот пятиэтажки — могут.
Пластик
Пластик – один их самых востребованных расходных материалов для аддитивного производства. Ассортимент термопластиков и композитов, предназначенных для FDM-печати, исключительно разнообразен и позволяет выбрать, исходя из поставленных задач, наиболее подходящие по физико-механическим свойствам материалы.
В этом разделе мы рассматриваем расходные материалы FDM-принтеров. Это так называемые филаменты – пластики в виде нитей, намотанных на катушки. Иногда они выпускаются в виде гранул.
FDM-технология лежит в основе не только домашних, но и профессиональных и промышленных 3D-принтеров, поэтому пластики активно используются на производстве, для изготовления прототипов и функциональных изделий в таких отраслях, как автомобилестроение, авиационная промышленность, бытовые товары, электроника, архитектура, медицина, наука и образование.
- широкий диапазон применений;
- разнообразие цветов и фактур материала;
- легкость механической обработки;
- удобство в использовании;
- гибкая структура материала;
- возможность печати ;
- относительно невысокая стоимость.
Основные виды пластиков
ABS-пластик. Отличается практически полным отсутствием запаха и не выделяет токсичных химических веществ. Обладает множеством положительных характеристик, включая повышенную ударопрочность при высокой эластичности и мягкости материала, а также простую механическую обработку. Высокая растворимость в ацетоне позволяет легко склеивать детали и сглаживать внешние поверхности изделий. Обычно ABS-пластик непрозрачен, но при необходимости легко окрашивается в любые цвета. Конечные изделия без окрашивания чувствительны к воздействию ультрафиолета и наделены невысокими электроизоляционными свойствами.
PLA-пластик. Ключевые составляющие PLA-пластика – это сахарный тростник и кукуруза, а в основе материала лежит молочная кислота. Регулируя ее уровень при производстве, можно получить различные свойства полимера, тем самым расширяя области его использования. Изделия из PLA-пластика обладают ровной и скользящей поверхностью, что идеально подходит для распечатывания подшипников скольжения. Материал нетоксичен, благодаря чему широко применяется для производства различных игрушек и сувениров. Имеет лишь один недостаток – недолговечность эксплуатации. Готовое изделие из пластика может прослужить до нескольких лет при минимальном использовании и температуре до +50 градусов.
PETG / PET / PETT-пластик. PET, или полиэтилентерефталат, – наиболее распространенный вид пластика. Для 3D-печати «чистый» PET используют редко, применяя в основном его разновидность – PETG. PETG более долговечен и обладает гораздо меньшей температурой переработки. Еще одной версией PET является PETT – более жесткий и достаточно популярный материал благодаря своей прозрачности.
PC-пластик (поликарбонат). Обладает высокой прочностью и износостойкостью, а также повышенным сопротивлением физическим воздействиям и термостойкостью. Выдерживает температуру до 110°C. Материал прозрачный, гибкий, легко гнется и не деформируется. Отлично подходит для использования в автомобилестроении, медицине и приборостроении.
Оборудование в каталоге iQB Technologies: и Материалы в каталоге iQB Technologies: Sharebot и
Подробнее в статье: Discovery 3D Printer: печатаем по-крупному!
