3D  печать. Как это работает

Объемная печать сегодня является наиболее популярной темой среди поклонников высоких технологий: вместо фотографий и текста инновационные принтеры позволяют получать трехмерные объекты. Мы расскажем, как это работает, и проведем практический эксперимент.
В настоящее время никакая другая технология не привлекает к себе столько внимания, как 3D-печать. Данная тема обсуждается в средствах массовой информации и на различных веб-ресурсах во всем своем многообразии, начиная с использования в высокотехнологичных секторах промышленности и науки, возможности создания интересных самодельных вещей для работы и развлечения и заканчивая потенциальной опасностью появления изготовленного на домашнем принтере оружия.

Но что такое на самом деле 3D-печать и как работает данная технология? Мы подробно опишем аспекты и принципы ее действия, а также поделимся впечатлениями от практического применения MakerBot Replicator 2 — одного из первых доступных для любительского использования компактных трехмерных принтеров.

Основы: все о 3D-принтерах

Принтеры для объемной печати встали на путь завоевания массового рынка совсем недавно. До настоящего момента существовали либо очень дорогие устройства для дизайнерских студий, либо комплексные системы для компьютерных специалистов. Но теперь даже рядовой пользователь может позволить себе приобрести такой прибор.

В промышленности и малом производстве 3D -принтеры уже несколько лет используются для быстрого изготовления прототипов, отдельных компонентов и небольших количеств деталей. В данном случае применяются такие технологии, как лазерное спекание, сплавление или стереолитография. При этом происходит либо спекание тонких (несколько микрометров) слоев металлического или керамического порошка, либо постепенное послойное затвердевание жидкого синтетического материала под действием лазерных лучей. Ввиду того, что минимальная стоимость подобных аппаратов составляет 7 млн рублей (1,6 млн гривен), они оказываются недоступными для рядового пользователя.

В сфере домашнего использования широкое распространение получили устройства, которые работают по принципу моделирования методом наплавления: расплавленный полимерный материал через сопло выдавливается на постепенно опускающуюся платформу, в результате чего формируются слои будущего объекта.

По точности данные принтеры не могут сравниться с промышленными аппаратами, но наиболее качественные из них способны формировать слои с минимальной толщиной 100 мкм (0,1 мм). А благодаря своей относительно невысокой стоимости, они доступны и для обычных пользователей. В результате возникла новая тенденция к самостоятельному созданию различных вещей с применением этой современной технологии.

3D-принтер

В настоящее время доступны различные по цене и качеству устройства: начиная с дешевых китайских принтеров стоимостью 15 000 рублей (3600 гривен) и систем, предлагаемых сообществом Open Source, и заканчивая полупрофессиональными моделями от американских компаний.

«Чернила»

В качестве рабочего материала 3D-принтеры используют в основном термопластические пластмассы PLA (полимолочная кислота) или ABS (АБС-пластик).

PLA (ПОЛИМОЛОЧНАЯ КИСЛОТА). Данный материал более прост в использовании, так как при охлаждении он сжимается в допустимых пределах, благодаря чему получаемые объекты сохраняют заданные размеры. Зато PLA обладает более низкой механической прочностью и начинает плавиться уже при 60 °С. Поэтому не удивляйтесь, если в один из жарких летних дней вы увидите напечатанный держатель мобильного телефона свисающим над приборной панелью.

PLA-пластик
Одним из часто рекламируемых преимуществ PLA является его биологическая разлагаемость. Однако обеспечить ее можно лишь при осуществлении компостирования согласно промышленным стандартам и наличии стабильной рабочей среды для необходимых в процессе кисломолочных бактерий. Если же речь идет об обычной компостной яме на даче, то там данную процедуру можно проводить разве что из спортивного интереса.

ABS (АБС-ПЛАСТИК). Данный материал, который используется также при изготовлении конструктора Lego, механически более прочен и начинает размягчаться при температуре от 100 °С. Однако в то же время он более сложен в технологической обработке, так как при охлаждении дает усадку.

ABS-пластик
Поэтому довольно крупные объекты необходимо формировать на подогреваемой платформе, чтобы нижние слои в процессе работы не уменьшились в размерах, испортив тем самым итоговый результат. Ввиду того что усадка зависит от формы создаваемого объекта, предсказать ее масштабы очень сложно. На практике помогает лишь печать, последующие замеры и при необходимости повторная печать с другими масштабами.

Оба материала продаются, как правило, в рулонах весом один килограмм. Стоимостью одного рулона составляет около 1500 рублей (360 гривен).

Практический тест: MakerBot Replicator 2

По качеству сборки Replicator 2 значительно превосходит другие доступные устройства, однако по уровню домашней 3D -печати его можно сравнить с матричными принтерами. Устройство издает много шума, и качество получаемых изделий низкое, но несмотря на это, работа с ним доставляет огромное удовольствие.

За 80 000 рублей (20 000 гривен) вы получите на первый взгляд весьма прочное и надежное устройство, которое будет смотреться очень стильно даже на столе именитого дизайнера. То, что в процессе работы принтер способен наполнять помещение светом цветных мигающих светодиодов, подчеркивает его характер «шоумена», а к возникающим при этом шуму и запаху мы вернемся позднее.

Replicator 2 является своего рода прощальным «гимном» компании MakerBot и философии Open Source, которой она придерживалась со дня своего основания. Так, в настоящий момент программа для принтеров МаkerWare уже не является бесплатной, а сам аппарат поставляется в виде готового устройства, а не как набор составляющих компонентов.

Оснащение

Основу корпуса составляет крепкий стальной каркас, закрытый прочными пластмассовыми панелями. Система направляющих экструдера, который нагревает пластик, состоит из массивных стальных стержней. Они надежно установлены во втулки и практически не имеют люфта. А внутреннее пространство устройства позволяет создавать изделия размером до 28,5×5,3×15,5 см.

Корпус в трех местах имеет довольно широкие технологические отверстия, что обеспечивает комфортный доступ к рабочей платформе. Последняя крепится к подъемной платформе с помощью зажимов и извлекается двумя простыми движениями рук. Это очень удобно, поскольку перед печатью платформу нужно оклеить малярным скотчем, а после печати необходимо приложить некоторое усилие или даже применить специальный инструмент, чтобы снять готовое изделие с платформы.

Replicator 2 использует материал PLA, который в виде рулона крепится на корпус с тыльной стороны и по гибкому пластмассовому шлангу подается в экструдер. Последний движется в горизонтальной плоскости в обоих направлениях, при этом рабочая платформа опускается после каждого прохода в вертикальном направлении вниз. Минимальная толщина каждого слоя изделия составляет 0,1 мм, что является пределом возможностей для современных устройств данного класса.

Управление принтером осуществляется с помощью небольшой панели Arduino, которая расположена в правой части лицевой стороны устройства. Файл для печати можно загрузить напрямую через USB-разъем или предварительно сохранив его на карте памяти SD. Последний вариант показался нам более удобным, особенно в случаях, когда приходится создавать сравнительно крупные объекты. Аналогично выпускавшимся когда-то игольчатым принтерам электромеханический привод экструдера издает характерное стрекотание, а плавящийся синтетический материал выделяет специфический запах. Поэтому оптимальным решением будет расположить устройство в отдельном помещении, чтобы в процессе печати, занимающем, как правило, несколько часов, он не создавал дискомфорт для окружающих. В данном случае не помешало бы наличие LAN-разъема.

Качество печати

MakerBot Replicator 2 предоставляет возможность печати с тремя уровнями качества (плохое, среднее и высокое) при минимальной толщине слоя 0,1 мм, что также соответствует наименьшей возможной толщине стенок изделия. Мы создали три различных объекта в низком и высоком качестве: очки виртуальной реальности Dive, небольшой «новогодний» свисток (New Year Whistle) и, наконец, самостоятельно сконструированный додекаэдр с длиной ребра 23 мм и толщиной стенок 3 мм. Даже при печати на максимальном уровне с наименьшей толщиной слоя качество готовых изделий можно считать лишь удовлетворительным. Например, на вертикальных стенках объекта достаточно отчетливо видна и хорошо ощущается слоистая структура, а мелкие детали, такие как крыльчатка свистка, имеют заусенцы, поэтому готовое изделие требует доработки. Нас удивил тот факт, что наклонные, идущие вниз грани додекаэдра при печати с толщиной слоя 0,2 мм выглядят значительно более качественно, чем в случае, когда данный показатель равен 0,1 мм.

Печать сложноструктурного додекаэдра

Печать относительно небольших объектов, например додекаэдра, в максимальном качестве занимает у принтера около двух часов. На предметы крупных размеров, такие как очки Dive, при печати в низком качестве (Low) уходит 3 часа 40 минут, в максимальном качестве — в два раза больше. При этом разница между двумя объектами оказалась минимальной.

Допечатная подготовка и 3D-печать

Для подготовки 3D-проекта к печати необходимо воспользоваться специальной программой-слайсером, выполняющей «нарезку» модели на слои. На сайте компании MakerBot бесплатно доступна бета-версия такого приложения под названием MakerWare. Данная утилита позволяет импортировать файлы в распространенных расширениях STL (3D CAD) и OBJ и сохранять результат в формате THING. Программа имитирует виртуальную камеру высокого давления принтера. В нее можно загружать несколько 3D-объектов, позиционировать, вращать и масштабировать их. Однако прочие операции невозможны. При необходимости приложение самостоятельно добавляет поддерживающие элементы.

После завершения подготовительной работы с проектом щелчком по пункту меню «Makeit» откройте окно, в котором можно выбрать различные параметры печати — например, толщину слоя и стенок, степень заполнения полостей, а также температуру сопла и скорость экструзии. Данные настройки можно объединить под одним профилем и сохранить его. Время последующего за этим разделения модели на слои во многом зависит от выбранных параметров: так, для очков Dive создание файла печати с низким качеством заняло около пяти минут, с максимальным — почти полтора часа.

Перед самым началом печати необходимо разместить рабочую платформу точно напротив сопла экструдера. Для этого следует выбрать пункт меню «Level Build Plate». Экструдер будет поочередно перемещаться в угловые точки малого и большого треугольников, а затем остановится в центре рабочей платформы. С помощью одного из регулировочных винтов, расположенных под платформой, высоту ее положения можно изменить таким образом, что между соплом и платформой едва протиснется лист бумаги. Небольшой четырехстрочный монохромный ЖК-дисплей принтера отображает статусные сообщения, а также пункты меню. Навигация по меню осуществляется с помощью небольшого навипада. Нажатия кнопок очень нечеткие, вследствие чего можно легко «проскочить» нужный пункт. В таком случае процесс настройки придется начинать с самого начала, поскольку кнопки «Назад» не предусмотрено.