Устройство и принципы работы 3D-принтера

Как работает 3Д-принтер

Идея, лежащая в основе 3D-печати, заключается в том, что в заранее заданную точку пространства подаётся материал. Это может быть полимер в жидком состоянии, клей, другое вещество. Если используется пластик, то, чтобы расплавить и дозировать его, применяется экструдер. В устройство подаётся сырьё, например, полимерная нить, которая затем нагревается до тех пор, пока материал не перейдёт в жидкое состояние.

Точечная подача обеспечивается с помощью головки экструдера, через которую выдавливается материал. От её размера зависит то, насколько точным получится изделие, насколько плавными будут переходы, изгибы. Экструдер подсоединен к системе двигателей, которые перемещают его в трёхмерном пространстве.

Система датчиков позволяет отслеживать положение печатающей головки. В каждый отдельный момент времени моторы передвигают точку выхода материала, располагая её в заранее определяемом месте в пространстве. Координаты задаются программой, работающей на управляющем устройстве, преобразуемой в управляющие сигналы на электронной плате.

Виды 3D-принтеров. Технологии печати

Индустрия 3D-печати значительно расширилась за последние годы, предлагая возможности использования разнообразных материалов в процессах печати. В зависимости от типа 3D-принтера и целей производства выбор материалов может значительно варьироваться.

Вот основные категории материалов, которые широко используются в 3D-печати:

1. Пластик, полимеры, поликарбонат – эти материалы наиболее часто используются в FDM-принтерах. Они подаются в виде нитей (филаментов), плавятся и выдавливаются для построения объекта слой за слоем.
2. Керамика. Подходит для создания высокоточных и декоративных изделий. 3D-печать керамики может применяться в искусстве, ювелирном деле и даже в медицине.
3. Гипс. Используется для цветной 3D-печати и создания моделей, прототипов, фигурок. Гипсовая 3D-печать позволяет достигать высокой детализации объекта.
4. Воск. Применяется для создания мастер-моделей в ювелирном деле, которые затем используются для отливки металлов по методу "выжигаемого моделирования".
5. Дерево, деревосодержащий пластик – эти материалы, такие как PLA с добавлением древесных волокон, имитируют дерево и используются в FDM-печати для создания объектов с деревянной текстурой.
6. Металлы (сталь, алюминий, латунь, золото, различные сплавы). По большей части используются в SLS и SLM технологиях. Металлы позволяют создавать прочные и функциональные компоненты, которые могут использоваться в различных отраслях таких, как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская и ювелирная промышленность. SLS применяется для создания металлических деталей путем спекания порошков, что позволяет достигать сложных геометрических форм без использования поддерживающих конструкций. SLM, в свою очередь, полностью расплавляет металлические порошки, что обеспечивает более высокую плотность и прочность изделий.
7. Углепластик и другие композиты часто применяются в технологиях FDM 3D-принтеров и SLS. Углепластик представляет собой материал с высоким соотношением прочности к весу, что делает его идеальным для использования в авиационной, автомобильной и спортивной промышленности. Композиты, состоящие из различных волокон, смол и матриц, могут значительно улучшать механические свойства конечных изделий. Недостатками являются необходимость специального оборудования для обработки композитных материалов и ограниченная доступность таких материалов для аддитивного производства.
8. Песок. В основном используется в технологиях Binder Jetting и SLS для создания литейных форм и ядер. Песчаные формы, созданные с помощью 3D-печати, позволяют значительно ускорить и удешевить процесс литья металлов. Преимущества включают возможность создания сложных форм и уменьшение времени производства. Недостатки включают относительно низкую механическую прочность песчаных форм и необходимость в последующей обработке для улучшения качества поверхности.
9. Полиамид (нейлон) широко используется в SLS и MJF технологиях. Полиамидные изделия отличаются высокой прочностью, гибкостью и устойчивостью к химическим воздействиям, что делает их подходящими для создания функциональных прототипов, деталей для конечного использования и потребительских товаров. Полиамид также позволяет производить сложные и детализированные объекты без необходимости в поддерживающих конструкциях. Недостатками являются возможная деформация при высоких температурах и необходимость постобработки для достижения идеальной гладкости поверхности.
10. Резина используется в технологиях DLP и SLA для создания эластичных и гибких объектов. Резиноподобные материалы идеальны для изготовления уплотнителей, прокладок, гибких прототипов и деталей, требующих эластичности. Преимущества включают возможность создания высокодетализированных объектов и точное воспроизведение сложных геометрий. Недостатками являются ограниченная прочность и износостойкость по сравнению с твердыми материалами, а также необходимость постобработки для улучшения механических свойств и удаления остатков полимера.

Как устроен 3D-принтер

Типовая конструкция 3D-принтеров представляет собой следующий набор компонентов:

• несущая рама;
• платформа для печати;
• экструзионное устройство;
• двигатели;
• система датчиков;
• плата управления.

Рама

Все компоненты 3D-принтера держатся на раме. Она должна быть прочной, устойчивой: не вибрировать, не смещаться при работе двигателей. Важное условие хорошей работы принтера — жёсткость рамы. На неё влияют материал, из которого изготовлен каркас, конструкция, качество крепёжных элементов. От жёсткости напрямую зависит точность и качество печати. Есть два типовых видов рамы: цельные и сборные. Цельные отличаются высокой устойчивостью к динамическим воздействиям, они надёжны и прочны. Сборные рамы проще транспортировать, они легко разбираются, и принтер без особых сложностей можно перевозить с места на место. Но такие конструкции не всегда обладают достаточной жёсткостью.

Платформа печати

Свойства пластины, на которой формируется объемное изделие, влияют на качество печати. Форма платформы обычно прямоугольная. Габариты связаны с размером области печати, определяемой длиной направляющих, по которым перемещается экструзионная я головка. Чаще всего используются стеклянные подложки. К их достоинствам можно отнести стабильность свойств, неизменяемость габаритов при нагреве. Плоскость, на которой размещается изделие, обычно идеальной формы.

Недостаток стекла — низкая степень адгезии, то есть плохое прилипание формируемого изделия к платформе. Чтобы решить проблему, применяют дополнительные химические средства. Либо используют стекло с насечками, рифлёное. Материал универсален, и может использоваться практически со всеми видами полимеров.

Прочные и жёсткие подложки делают из стали. Такая платформа хорошо выдерживает нагрев до высоких температур. Тепло быстро распределяется по материалу, не допуская перепадов температур, приводящих к деформации изделия. Применяется металл и с гладкой, и с рифлёной поверхностью. Кроме изготовленных из стали и стекла бывают платформы из стекловолоконных композитов, из полипропилена, используется каптоновая лента.

Экструдер

Задача экструдера подавать мелкие капли материала в заданную точку пространства. Для этого пластик или другое вещество не должно быть твёрдым. Обычно его переводят в жидкое или полужидкое состояние с помощью нагрева. Затем, остывая, материал твердеет. Если речь идёт о клее, гипсе или цементе, то такое вещество застывает, теряя воду. При работе с металлом для соединения используется точечная сварка лазером. Какой бы ни был способ соединения, материал всегда нужно подавать точечно в заданное место.

При работе с пластиком полимерная нить подаётся в компактный экструдер, где она размягчается за счёт нагревания. Затем расплав попадает в головку и через сопло выделяется и попадает на деталь. От размера сопла зависит точность изготовления. Для полупрофессиональных и любительских принтеров его размер — 0,1-1,0 мм. Наиболее востребованный размер сопла у энтузиастов 3D-печати — 0,4 мм. Диаметр полиамидной нити, подаваемой в экструдер, 1,75 либо 3 мм.

Механизм перемещения

Для корректной печати в конструкции 3D-принтера должно быть реализовано перемещение печатающей головки по трём осям координат. Для этого используются направляющие и двигатели. Полозья, вдоль которых перемещается печатающее устройство, в недорогих моделях имеют цилиндрическую форму, в премиальных аппаратах применяются плоские, рельсовые модули. От качества изготовления направляющих зависит правильное позиционирование головки и, как следствие, точность печати.

Чтобы обеспечить движение вдоль полозьев, используются три двигателя. Каждый из них отвечает за позиционирование по одной из осей в декартовой системе координат. От характеристик зависит точность размещения головки, а, значит, и качество печати. Обычно это небольшие шаговые электродвигатели.

Что изготавливают на 3д-принтерах

Аддитивные технологии находят применение не только в изготовлении сувениров. Они заняли свою нишу и в промышленности. Важное достоинство 3D-печати — возможность делать геометрически сложные изделия. Некоторые конструкции можно изготовить только на 3D-принтере. Главный же недостаток, который ограничивает массовое применение аддитивных деталей — относительно низкая их прочность в сравнении с металлическими изделиями. Сферы применения 3D-печати это:

1. Создание моделей и прототипов изделий. Детали из пластика изготавливаются быстро и дают возможность разработчикам: инженерам, художникам-оформителям проверить свои идеи и при необходимости доработать проект с минимальными затратами времени и денег. Прототипирование с помощью 3D-печати повышает скорость разработки, даёт возможность проверить и реализовать инновационные задумки.
2. Изготовление конечных изделий. С помощью 3D-принтеров можно делать и законченные конструкции. Как правило, это детали, к которым нет существенных требований по прочности. Особенно они востребованы в сферах, где нужны единичные изделия сложной формы. Применяются в медицине, в технике, в космической отрасли.

Назовём некоторые конкретные примеры применения аддитивных технологий в различных областях деятельности человека:

• Изделия, созданные под нужды конкретного потребителя. К такой продукции относятся медицинские протезы, разного рода импланты, элементы одежды, украшений, предметов, сделанных на заказ.
• 3D-печать широко используется в изготовлении запасных частей. Не всегда просто достать замену сломанной детали. Особенно актуальна проблема, если запчасть нужна для изделия, которое давно не выпускается. Востребовано при починке автомобилей, ремонте бытовой техники, восстановлении электроники.
• Мелкосерийное производство. 3D-принтеры хорошо справляются с деталями сложной формы, и могут применяться для создания небольших партий изделий, а также пробных выпусков новой продукции. Так можно уменьшить расходы материала и быстро переориентировать производственные мощности.
• Создание экспериментальных образцов изделий для испытаний, отработки технологии изготовления, сборки, для проведения тестов. Сокращает время внедрения инновационной продукции. Удешевляет производство прототипов, макетов.
• Чинить и дорабатывать можно не только бытовую технику или автомобили. 3D-печать запчастей применима и для восстановления промышленного оборудования. Можно изготавливать сломанные детали, совершенствовать работу техники. Применение аддитивных технологий повышает срок эксплуатации оборудования, позволяет уменьшить затраты на его обслуживание, ремонт и замену.
• Создание деталей со сложной геометрией. Современные средства автоматизированного проектирования позволяют создавать объёмные модели практически любой степени сложности. Но изготовить многие подобные изделия можно только одним способом — с помощью 3D-печати.
• Создание сувениров по индивидуальным проектам. Широко распространено среди любителей 3D-печати. С помощью современных средств проектирования можно создать практически любую фигуру, будь то копия предмета искусства или любимый персонаж кино либо мультфильма. С помощью 3D-принтера можно превратить такую электронную модель в реальный физический объект.
• Используя 3D-принтеры, создают литьевые песчаные формы. С их помощью можно получить литые изделия сложной формы. Такие детали крайне сложно изготовить любым другим способом из-за нестандартной геометрии.
• 3D-печать применяется для возведения зданий. Специальный раствор на основе цемента подаётся через сопло. С его помощью формируют стены здания. Небольшой дом так можно построить за один-два дня. Подобные принтеры обладают большими размерами и являются самыми крупными среди данного вида техники.

Аддитивные технологии нашли применение в таких сферах, как:

1. Авиационная и космическая промышленность. Применение деталей сложной формы, разработанных при помощи нейросетей, позволило снизить вес, повысить эффективность, уменьшить потребление топлива.
2. Медицина не может обойтись без имплантов, сделанных с учётом индивидуальных особенностей организма человека. С помощью аддитивных технологий удалось улучшить результаты лечения людей, повысить качество их жизни.
3. В промышленности: автомобильной, станкостроении и других отраслях удалось сократить сроки изготовления макетов, уменьшить расходы на прототипирование. Это приводит к удешевлению продукции, она доступна большему числу людей.
4. Создание ювелирных изделий. Возможно изготовление оригинальных изделий самых необычных форм. 3D-печать позволяет многим мастерам раскрыть свой творческий потенциал.

Аддитивные технологии прочно вошли в жизнь человека и широко применяются не только в быту, для создания сувениров, но и во многих отраслях промышленности. Металлические изделия, созданные методами 3D-печати, получаются недостаточно крепкими. В этой сфере 3D-принтеры пока не могут заменить традиционные технологии. Но они идеально подходят для единичного или мелкосерийного производства, при создании уникальных деталей, которым не требуются высокие прочностные характеристики.

Принципы работы, технологии печати

FDM

Технология, в которой соединение слоев материала осуществляется за счёт наплавления. Это способ 3D-печати, который считается классическим и применяется в большей части бытовых принтеров. В переводе аббревиатура расшифровывается, как «метод наплавления нитей». Для создания объёмных моделей печатающая головка перемещается по сформированной программой траектории. В каждой точке сопло выдаёт небольшую порцию расплавленной пластмассы.

Можно создавать изделия различных типов: игрушки, сувениры, детали техники, импланты, элементы мебели. FDM экономически и технологически является оптимальным методом изготовления полимерных изделий небольшого и среднего размера. Также с его помощью можно делать крупные пластмассовые детали. Их габариты ограничены только размером зоны печати принтера. При большом размере сопла может получиться ступенчатая структура поверхности, что потребует дополнительной постобработки.

Стереолитография (SLA)

В качестве сырья используется специальный фотополимер, который отверждается под воздействием лучей лазера. В отличие от метода наплавления здесь материал заранее залит в специальную форму. В неё же помещается сетчатая подложка, которая станет основанием детали. Она опускается на один слой ниже поверхности, затем в этом слое с помощью лазера формируется твёрдая структура — первый слой изделия. Затем сетчатая подложка перемещается ещё на один слой вниз. Так происходит до тех пор, пока не будет изготовлено изделие целиком.

После формирования твёрдой структуры деталь вынимают и отправляют на обработку. Удаляют вспомогательные элементы, протирают специальным составом. Окончательное отверждение модели происходит после дополнительного облучения. Преимущество стереолитографии — в высокой точности изготовления. Можно делать предметы с очень тонкими стенками: вертикальными — порядка 100 мкм, горизонтальные — около 30 мкм.

DLP

Технология DLP — цифровая обработка светом. Схожа со стереолитографией: применяются фотополимеры, отверждение сырья происходит в заполненной им ёмкости, материал набирает прочность после его облучения. Отличие от SLA в том, что свет действует не на отдельные точки, а обрабатывает материал послойно. Программа разбивает 3D-модель на слои заданной толщины, а затем принтер облучает заданные области.

Обработка может идти как в прямом, так и в обратном направлении: со дна ванны, либо с её поверхности. В качестве подложки выступает рабочий столик из прочного металла. Точность печати при этом остаётся высокой. Достоинством DLP технологии считается скорость печати. Это самый быстрый способ создания детали на 3D-принтере.

SLS

Технология SLS позволяет формировать изделия за счёт спекания порошка. Это может быть металл, керамика, стекло, пластик. Нагрев материала осуществляется с помощью лазера. Температуру порошка повышают до тех пор, пока он не начнёт плавиться. Жидкая поверхность нескольких гранул соединяется, и так они создают единую твёрдую конструкцию. В зависимости от температуры плавления материала выбирается мощность лазера. Чтобы ускорить процесс печати, на некоторые модели устанавливают несколько лазерных головок.

Есть ещё одна похожая технология — SLM. В ней, в отличие от SLS, гранулы расплавляются полностью. Она требует больше времени и больше энергии. Предметы, изготовленные спеканием порошка, обладают высокой точностью. Можно получать изделия сложной формы. Они не могут заменить детали, изготовленные традиционными методами, из-за меньшей прочности. Но идут разработки, направленные на улучшение их характеристик.

Polyjet

Эта технология предполагает, что жидкий полимерный материал послойно отвердевает под воздействием ультрафиолета. Каждый слой распыленного материала полимеризуется под излучением УФ-лампы, и в итоге поверхность готового изделия не нуждается в дополнительной обработке.

Исходный материал не обязан быть однородным, данная технология успешно справляется с композитами. То же относится и к расцветке продукции: методика позволяет воспользоваться возможностями сложной цветопередачи с палитрой свыше 1000 оттенков.

Принтеры Polyjet обычно оснащены несколькими печатающими головками. Это позволяет повысить скорость печати одного объекта либо печатать несколько объектов одновременно.

Продукция, изготовленная по такой методике, отличается стабильностью геометрических форм и гладкостью поверхностей. Ее чрезвычайно легко красить, шлифовать, склеивать, сверлить и пилить. Продукция готова к применению незамедлительно после печати.

Polyjet оптимален для производства прототипов продукции, тестовых моделей, образцов для литья в силикон.

Изображение от freepik