3d-принтер: что это и как он работает?

Современный домашний 3D-принтер

Уже сегодня есть модели 3D-принтера для дома. Правда, стоимость их достаточно высока.

Как работает 3D-принтер?

Работает следующим образом: к рабочему элементу – головке-экструдеру подается пластиковая нить, он ее плавит и через сопло наносит в нужную точку распечатываемого слоя. При комнатной температуре пластик очень быстро застывает, что позволяет беспрерывно печатать, создавая слой за слоем объемный объект.

Каких-либо специальных условий при обслуживании 3D-принтера для дома не требуется, кроме затрат на печать (стоимость одного килограмма пластиковой нити 50-60 долларов).

В процессе печати такой принтер, можно сказать, прямо в воздухе из расплавленной нити воссоздает материальный объект. Данный объект предварительно должен быть оцифрован и в виде файла находиться в компьютере. Далее с помощью драйвера из цифровой модели объекта воспроизводятся такие движения печатающей головки, чтобы вытекающая из них расплавленная нить в конечном итоге застыла в виде точной копии оцифрованного объекта.

Встает собственно вопрос, а что это за цифровая модель материального объекта? Это файл, в котором специальным образом описано устройство этого объекта. Также как в текстовых файлах содержится модель текста, в графических файлах – модель картинок, в видео-файлах содержится модель видео изображения со звуком.

Мы привыкли к тому, что в таких файлах есть соответствующие расширения, по которым мы легко определяем, что за информация в них хранится. Например, расширение .txt и .doc – это тексты. Расширение .jpg и .png – это картинки. Расширение .avi и .mpeg4 – это видео. Также и у файлов 3d-моделей должны быть свои, отличные от других расширения файлов.

А как создать такие файлы? Для этого нужны соответствующие программы-конструкторы, равно как для создания текстов нужен текстовый редактор, для создания картинок нужен графический редактор.

Также уже существуют 3D-сканеры, позволяющие автоматизировать процесс создания 3D-файла также, как привычный сканер создает файл с только что отсканированным им изображением.

Как видим, технология работы с 3D-принтером и 3D-моделями во многом схожи с привычными методами и приемами работы с компьютерными файлами.

Разновидности 3 d принтеров

Моделей 3D-принтеров огромное количество, различается по сложности и их устройство.

К особо сложным относятся принтеры, используемые в промышленности, которые, используя высокоточные лазеры, изготавливают изделия, спекая слои из мельчайших частиц металлического порошка. На 3 д принтер цена выливается не в одну сотню тысяч долларов.

Существует вариант промежуточный, цена на который примерно 200 тысяч рублей.

Это принтеры, имеющие множество дополнительных функций:

• сенсорный дисплей;
• автокалибровку;
• подогрев рабочей камеры.

В них используется «моделирование послойного наплавления» или технология FDM.

Метод послойного наплавления термопласта

Это, пожалуй, наиболее популярная техника трехмерного изготовления. Распространенности FDM-аппаратов способствует сразу несколько факторов. В первую очередь в работе устройств используются относительно недорогие пластики

Также имеет значение простая техника эксплуатации, что особенно важно в работе с таким оборудованием. Как правило, технологии 3D-принтеров этого типа предусматривают работу с термопластиками, одним из которых является полилактид

Среди преимуществ этого материала отмечается экологичность, так как получают данный пластик из сахарного тростника и кукурузы.

Главным же элементом в самом принтере стоит назвать экструдер, который выполняет задачу печатной головки. Впрочем, в этой части не все так однозначно, поскольку элемент представляет собой комплекс отдельных компонентов. Если рассматривать термин «экструдер» в привычном понимании, то к нему будет относиться только часть головки в виде подающего механизма. Так или иначе, печатающая основа подает пластик для 3D-принтера путем нанесения расплавленной нити. Движение механической части обеспечивается электромотором. В итоге механизм направляет нить в нагреваемую трубу сопла, которая и формирует конечный объект.

Предпосылки создания 3D-принтера

Первые попытки создания технологии трехмерной печати делали еще в 80-х годах. В то время был разработан стереолитограф, с помощью которого можно было создавать 3D-объекты из жидкого фотополимерного пластика. Технология в таком оборудовании основывается на свойствах фотополимеров – под воздействием лазера он застывает, приобретая твердую форму пластика.

Еще одним предшественником современного 3D-принтера стала технология «лазерного спекания». Основой для создания объемных моделей является порошок легкоплавкого пластика. От воздействия лазера пластик плавится, а затем спекается в единую массу. А чтобы от сильного нагрева пластик не воспламенился, в рабочую камеру закачивают инертный газ. Сложность обслуживания такого оборудования не позволяет такие принтеры использовать в домашних условиях.

3D-принтер открывает новые возможности

Благодаря технологии 3D-принтера возможно печатать очень сложные трехмерные модели. Например, можно распечатать проекционную модель здания, причем точность передачи объекта может доходить до 100 микрон. Интересно, что 3D-принтеру под силу распечатывать даже модели с подвижными частями уже в сборе.

3D-принтеры для дома еще достаточно дороги, но многие уже оценили возможности такого оборудования. Эти принтеры пока более актуальны в научных институтах. Ведь благодаря им появилась возможность быстро и относительно просто воссоздавать разработанные прототипы, не прибегая к услугам опытного или серийного производства.

Оценили возможности 3D-принтеров люди разных профессий.

• Ювелирам теперь проще создавать новые украшения самых разнообразных форм.
• Понравилась новинка и археологам, так как при необходимости можно сделать точную копию найденной находки.
• А в археологии очень трепетно относятся к оригиналам, стараясь лишний раз к ним даже не прикасаться.

3D-принтеры действительно открывают огромные возможности во всех сферах деятельности человека. Интересно, что существуют 3D-принтеры, которые печатают не пластиком, а шерстью, металлом и даже есть тестовые модели, печатающие пиццу.

Видео “В России напечатали первый жилой 3D-дом”

Мечтой ученых, которая скоро может стать былью – воссоздание человеческих органов, а так же создание бытовых «пищевых принтеров», которые из углеводов и белков смогут производить настоящие продукты. «Фантастика!», – скажете Вы… Возможно… но уже сегодня активно ведутся разработки технологии 3D-печати живой ткани с помощью стволовых клеток.

Сканирование 3D-объекта и последующая передача его модели в виде файла в любую точку мира, где есть Интернет, и там распечатка с помощью 3D-технологии – чем не быстрая передача материального объекта на любые расстояния? Об этом пока еще можно только мечтать. Но не за горами то время, когда можно будет позвонить или через Интернет сделать заказ пиццы на дом, оплатить этот заказ опять же через Интернет, и тут же у себя на кухне распечатать горяченькую пиццу. Приятного аппетита!

За 3D-технологиями большое будущее. Пока мы еще стоим в самом начале этого пути. Но ведь матричные принтеры, которые могли печатать только текст – это не такое уж отдаленное прошлое. И кто тогда мог представить, какие возможности открывает технология печати?!

Распечатать статью

Получайте актуальные статьи по компьютерной грамотности прямо на ваш почтовый ящик. Уже более 3.000 подписчиков

.

Важно: необходимо подтвердить свою подписку! В своей почте откройте письмо для активации и кликните по указанной там ссылке. Если письма нет, проверьте папку Спам

Строительство

Инженеры из университета Южной Калифорнии создали систему 3D печати для работы с крупногабаритными объектами. Система работает по принципу строительного крана, который возводит стены из слоёв бетона. Такой 3D принтер может возвести двухэтажный дом всего лишь за 20 часов. Рабочим останется только установить окна, двери и провести внутреннюю отделку помещения.

3D принтер строит дом

Голландские архитекторы предложили напечатать при помощи строительного 3D принтера уникальный дом в форме ленты Мёбиуса. «Печать» дома запланирована на 2014 год. Дом планируется напечатать из смеси песка и связующих материалов.

Здание в форме ленты Мёбиуса, напечатанное 3D принтером

Вполне возможно, что через несколько десятков лет вырастут целые посёлки с великолепными комфортными домами, построенными по технологии 3D печати.

Что такое 3D-принтер, принцип его работы

3D принтер, если объяснять простыми словами, это устройство, создающее трёхмерные объекты путём послойной печати. Сначала формируется модель в специальной программе, затем она обрабатывается при помощи так называемого генератора G-кода — делится на горизонтальные слои и преобразуется в цифровой код. Последний становится командой для принтера, куда и как наносить материал.

Он представляет собой сложную конструкцию, в которой печатающая головка двигается только по горизонтали. В результате нанесения материала сразу в нескольких плоскостях создаётся объёмная фигура. Формируется фигура на специальном рабочем столике, обеспечивающем приклеивание полимера и его фиксацию.

При нанесении одного слоя, поверхность стола опускается на один уровень ниже — ровно на толщину 1 слоя и печатающая головка наносит следующий слой до тех пор, пока объект не будет полностью создан.

Технология SLA

Для понимания следует рассмотреть несколько возможных вариантов нанесения полимерного материала для формирования изделия. Одним из таких способов является использование технологии SLA:

1. В ёмкость наливается полимер или смола, затвердевающая при воздействии луча лазера.
2. После включения системы лазер начинает перемещаться вдоль кареток.
3. В определённых местах касания лазером полимер становится тверже, его структура меняется.
4. Ёмкость после прохождения слоя опускается ниже, формируя каркас.

Технология SLS

Данный способ основывается на использовании лазерного луча для послойного создания детали. В центре оборудования установлен валик с платформой. Из неё подаётся специальный полимерный материал для формирования заготовки. После нанесения тонкого слоя лазер равномерно склеивает участки полимера, формируя один уровень. Так проходит несколько циклов до появления готовой формы.

Такой вариант несколько сложнее в исполнении, но не уступает в точности. Стоимость в среднем ниже по сравнению с другими версиями.

Технология DLP

Вариант DLP печати является относительно новым изобретением в области 3D-моделирования, однако принцип практически не отличается от представленных выше методов. Стоит понимать, что в DLP печати в качестве основного инструмента выступает полоска с прикреплёнными к ней светодиодами вместо лазерной установки, как при технологии SLA. Это позволяет не только ускорить процесс, получить отличное качество, но и сэкономить на оборудовании. Представленный вариант является улучшенной версией и занимает лидирующие позиции.

Технология EBM

Ещё одним вариантом, применяемым в области объёмной печати, является разработка EBM. Технология подразумевает применение направленных лучей от излучателей (электронные пушки). За счёт высокой температуры, получаемой при нагревании потоком лучей, материал начинает плавиться, а в дальнейшем позволяет формировать изделие различной конфигурации и размеров. Температура может достигать до 1000°C, что позволяет работать даже с некоторыми металлами.

Медицина

Использование 3D принтеров в медицине позволяет спасти человеческие жизни. Такие принтеры могут воссоздать точную копию человеческого скелета для отработки приёмов, гарантирующих проведение успешной операции. Всё чаще 3D принтеры используют в протезировании и стоматологии, так как трёхмерная печать позволяет получить протезы и коронки значительно быстрее классической технологии производства.

Прототипы зубных коронок, напечатанные на 3D принтере

Медицинские трёхмерные модели могут быть изготовлены из целого ряда материалов, включая живые органические клетки. Выбор того или иного материала для медицинского прототипирования зависит от целей и задач, стоящих перед медиками, и проблем, связанных со здоровьем пациента.

Совсем недавно сила и мощь 3D печати была продемонстрирована на примере обыкновенного орла, который по вине браконьеров лишился клюва. 3D печать позволила изготовить точную копию орлиного клюва.  

Орлиный клюв, напечатанный 3D принтером

На рисунке ниже показана малышка Emma Lavalle (Эмма Лаваль), страдающая от редкого врождённого заболевания, при котором атрофируются мышцы рук, и ребёнок не может взять в руки даже лёгкую игрушку. Медики разработали и напечатали на 3D принтере специальный пластиковый экзоскелет, который помогает девочке жить полноценной жизнью.

Экзоскелет, напечатанный на 3D принтере для девочки с отрафированными мышцами рук

По мере роста девочки, специалисты печатают новые запасные части для экзоскелета, так что он всегда ей в пору.  

Не останавливаясь на достигнутом, медики  научились печатать «заплатки» для повреждённой человеческой кожи. В качестве материалов для печати используется специальный гель из клеток донора. По словам учёных, для печати кожи может быть использован даже самый обычный офисный принтер, немного модернизированный под поставленную задачу.

«Заплатка» для человеческой кожи, напечатанная 3D биопринтером

В 2011 году учёные сумели воспроизвести живую человеческую почку. Для этого 3D принтеру потребовалось всего лишь 3 часа.

3D принтер печатает живую почку

Для печати пластиковых медицинских прототипов, совместимых с биологическими организмами, используются 3D принтеры Eden 250, 260V, 350, 350V, 500; Fortus 400mc, 900mc; Objet 260 Connex, Connex 350 и 500.

Программирование принтера

Перед началом работы, создаваемый объект рисуют во всех измерениях, пользуясь специальными программами САПР (для автоматизированного проектирования) или же CAD-редактором.

Если же нужного предмета не найдено на просторах Интернет, а в проектировании навыки отсутствуют, можно всегда обратиться к профессионалам.

Образовавшуюся стопку фотографий передают на 3D принтер для создания копий всех картинок, которые принтер как бы накладывает последовательно одну на другую, воссоздавая оригинал.Так упрощенно выглядит принцип работы. Только принтеры работают различными материалами и способами.

Как принтеру рисовать, ему сообщает слайсер, формирующий нужную программу. Она и подсказывает, как экструдеру перемещаться, скорость выдавливания материала, а также толщину слоев.

Далее в головку для печати подают пруток, расплавляемый в ней, и выдавливаемый оттуда сквозь узкое сопло. Двигаться головка может в 2 направлениях, аккуратно вырисовывая при этом каждый слой. После того, как первый закончен, принтер платформу отводит вниз или вверх приподнимает головку, чтобы приступить к созданию следующего, накладывая его на предыдущий.

Процесс изготовления изделий таким методом называется «аддитивной технологией» — от слова «добавлять» — «add», в отличие от иных технологий типа выпиливания, высверливания и пр., «отнимающими» материал и называющихся субтрактивными («отнимать» — «subtract»).

Архитектура

3D печать находит широкое применение в изготовлении архитектурных макетов зданий, сооружений, целых микрорайонов, коттеджных посёлков со всей инфраструктурой: дорогами, деревьями, уличным освещением.

На рисунке показаны макеты зданий, созданные с использованием трёхмерной печати.

Применение 3D печати в архитектуре

Для печати трёхмерных архитектурных макетов используют дешёвый гипсовый композит, который обеспечивает низкую себестоимость готовых моделей.

На сегодняшний день для 3D печати доступно 390 тысяч оттенков палитры CMYK, что позволяет воплотить в жизнь любую цветовую фантазию архитектора.

Для трёхмерной печати архитектурных моделей и прототипов чаще всего используются цветные 3D ZPrinter модели 250, 450, 650, 850 и чёрно-белые 3D ZPrinter модели 150 и 350.

Быстрое пропитывание

Независимо от нюансов, основано изготовление с помощью этих устройств на быстром пропитывании. Данная концепция предполагает быстрое формирование опытных образцов для демонстрации возможностей, которые дает будущий продукт.

Технология предполагает не удаление материалов, как это бывает при фрезеровании, ковке, сверлении и т.д., а послойное наращивание, т.е. постепенное увеличение массы.

Развитие трехмерной печати в настоящее время идет в нескольких направлениях:

• STL – стереолитография;
• FDM – использование термопластов;
• SLS – спекание лазером.

Второй метод наиболее широко применяем.

Способствую этому такие факторы:

• применение недорогих пластиков;
• техника, простая в эксплуатации.

Работа с терпомпластами, предусмотренная этой технологией, включает использование полилактида, получают который из кукурузы и тростника сахарного. Поэтому, его основным преимуществом считается экологическая чистота.