Пользователь
0,0
рейтинг
17 января 2012 в 14:50

Краткий экскурс в методы 3D-печати


Мои предыдущие посты по теме:
Первое мероприятие по 3D-печати в Нидерландах
Мероприятие по 3D-печати (окончание)
Новый бюджетный 3D-принтер
Чтобы ответить на часто задаваемые вопросы я опишу тут популярные технологии 3D-печати — печать расплавленным пластиком, порошком, фотополимером, лазерное спекание. Разумеется эта информация не является истиной в последней инстанции. Это картина, которая сложилась у меня на сегодня в голове из разных источников.

Печать расплавленным материалом (пластиками, шоколадом)


Это наиболее популярный метод среди любительских аппаратов. Суть его проста. Представляете себе как работает клеевой пистолет? С одного конца пистолета толкается пластиковый пруток, а на другом конце он разогревается до текучего состояния и выдавливается в место склейки.
Принтер представляет из себя станок с 3мя осями. Печатающая головка закреплена на координатной системе станка. Когда она передвигается по координатам X/Y расплавленный пластик выдавливается из тонкого (0.3-0.5мм) сопла и застывает. Напечатав один слой, принтер изменяет координату Z (опускает платформу/поднимает головку) и печатает следующий слой.


Разница между принтерами

Основная разница между принтерами заключается в том, как реализовано передвижение по 3-м осям, как подается материал, подогревается столик или нет, поддерживается ли печать 2мя материалами.

Большинство принтеров семейства RepRap передвигает головку только по оси X. Платформа с объектом перемещается по Y. По оси Z перемещается конструкция из печатающей головки и привод по оси X. Из-за перемещения такой массы страдает точность и скорость печати.


В Ultimaker и последней версии Makerbot засвеченной с большой помпой на CES 2012 печатающая голова передвигается по двум осям(X/Y) вверху аппарата, а платформа с изделием опускается постепенно вниз (по Z). Благодаря этому достигается высокое качество и скорость печати, которая может быть до 10 раз выше чем у Менделя.
Кроме классических схем унаследованных от CNC станков есть эксперименты с дельта-роботами.


Пластик


Для печати используют разные пластики. Самые популярные это ABS, из которого сделаны большинство игрушек, и PLA — биоразлагаемый пластик, из которого делается упаковка и одноразовая посуда. Кроме того используются специальные виды, которые растворяются в воде (PVA) или специальном растворителе. Таким пластиком можно печатать вспомогательные структуры, которые по окончании удаляются. Черный пластик на следующем фото — это такой вспомогательный материал.
image
Для печати двумя цветами или одним цветом со вспомогательным материалом используется принтер с двойным экструдером. На сегодня эта технология в любительских принтерах еще не отработана. STL формат, избранный в качестве стандартного среди любителей, не поддерживает несколько цветов. Но аппараты уже доступны, так что эти проблемы уже в процессе решения.
Пластик для печати продается бухтами в виде прутка различного диаметра ценой порядка 40-60$ за кг, водорастворимый стоит дороже(90$). У разных видов пластика (и других материалов, например шоколад) — разный диапазон рабочих температур. Для поддержания оптимальной температуры используется термодатчик.
Чтобы обеспечить точность печати деталь не должна двигаться с места, поэтому делают так, чтобы она прилипала к поверхности платформы.
Так как пластиковая деталь печатается долго, то и остывает она неравномерно. Слои напечатанные раньше — остывают раньше. Поэтому деталь стремится деформироваться — изогнуться. С одной стороны прилипание должно быть достаточно сильно, чтобы не дать оторваться детали от платформы при остывании, с другой — достаточно слабо, чтобы можно было оторвать ее руками по окончании процесса не повредив.
image
Именно для этого платформа для работы с пластиком ABS делается подогреваемой и на платформу клеят термоскотч(каптоновую ленту), а для работы с пластиком PLA на платформу наклеивается малярный скотч(синий на картинке выше). В профессиональных принтерах процесс вообще происходит в закрытом боксе, где поддерживается высокая температура обеспечивая медленное остывание и лучшее прилипание пластика. Так что скотч — это еще один расходный материал при 3D-печати.

Печать порошком


Эта технология используется в профессиональных принтерах компании ZCorp. Она позволяет печатать с высоким разрешением несколькими цветами одновременно. Суть простая — насыпается мелкодисперсный порошок тонким слоем, выравнивается, потом идет головка и как в струйном принтере поливает порошок окрашенным в нужный цвет связующим. Далее всё повторяется — слой порошка, выравнивание, связующее. По окончании остатки порошка выдувают и все готово. Дополнительный материал, чтобы поддерживать свисающие элементы, здесь не требуется — его роль играет порошок, который равномерно заполняет емкость и служит в качестве подпорки для последующих слоев. Принтеры стоят от 15k$ (монохромный ZPrinter 150), цветной ZPrinter 250 — от 25k$.

Кроме пластикового наполнителя счастливые обладатели играются и с другими материалами. Я слышал про использование керамики и металла. После отжига получаются соответственно керамическое или металлическое изделие.

Лазерное спекание

Практически ничем не отличается от печати порошком. Только вместо печатающей головки используется лазер спекающий порошок вместо связующего. Спекли слой, насыпали новый, спекли — насыпали и т.д.
Бристольское отделение знаменитой аэрокосмической и оборонной компании EADS по этой технологии «испекло» велосипед.


Эти ажурные объекты также изготовлены по этой технологии.
image

Таким же образом можно делать изделия из тугоплавких материалов. Только лазер надо помощнее.
В прошлом 2011 году Маркус Кайсер нашумел со своим проектом солнечного 3D-принтера. Вместо спекаемого порошка он использовал песок, который набирал тут же в пустыне. Вместо лазерных лучей использовал большую линзу Френеля, которая концентрировала солнце в точку и плавила песок. В качестве насыпающего и выравнивающего устройства выступал сам автор проекта :) Координатная система принтера и компьютер работали от солнечных батарей. В результате получилась такая вот чаша:


Весь процесс запечатлен на видео:


Печать фотополимером

image
Принцип работы прост — проецируем на смолу срез модели, она застывает там, где была освещена. Поднимаем модель и добавляем смолы, засвечиваем следующий срез и т.д.
Этот метод печати также встречается среди любителей и в лабораториях благодаря простоте устройства и точности получаемого результата. Вот схема устройства:

Есть кювета с фотополимером и стеклянным дном. На это дно проектор снизу проецирует изображение. Софт переключает картинки на проекторе(срезы объекта) и постепенно поднимает стеклянную платформу на которой растет объект. По мере расходования фотополимер доливается в кювету. Сверху аппарат обычно закрывается колпаком не пропускающим определенный спектр, чтобы избежать паразитной засветки.

Вот работа такого принтера, созданного в домашних условиях:


Пример объекта напечатанного на таком принтере:
image

Есть много разных фотополимеров. Они по-разному стоят, реагируют на разную длину волны света, имеют разное время активации. Поэтому при создании принтера надо подбирать материал и лампу для засветки. Вместо проектора можно использовать лазер(фонарь с узким лучом) и систему развертки. Тогда срез надо будет рисовать лазером как и при лазерном спекании. Если не ошибаюсь, то расходный материал для верхнего принтера стоит порядка 300$ за литр. Но сообщество интересующихся строительством таких принтеров нашло и дешевый вариант — около 20$ за литр. Сообщество, разную информацию по фотополимерам, устройству проектора, принтера и пр. можно найти тут — 3dprinter.wikidot.com

nano-cemms.illinois.edu — тут, при помощи серии видео-роликов, показан процесс 3D-печати в лаборатории собранный буквально на коленке. Полимер налит в стакан и обычный проектор засвечивает полимер сверху через зеркало. Платформа на которой выращивается объект прикреплена к маленькому штативу и опущена в стакан. Вручную на проекторе меняются картинки срезов и постепенно опускается платформа. По окончании процесса объект получается погружен в смолу. Далее он извлекается, промывается и обсушивается. Конечно реальный процесс занимает многие часы. Печать происходит со скоростью несколько миллиметров в час. Так что автоматизация тут совсем не лишняя.

Добавлено позже:
Промышленные принтеры семейства Objet Connex построенные по этой технологии могут использовать несколько разных видов фотополимеров в одном изделии. Фактически, это большой струйный принтер, с десятками сопел подключенным к емкостям с разными материалами. В процессе печати полимер наносится на изделие и тут же засвечивается.

Вот примеры объектов напечатанные на таком принтере за один раз:




Процесс печати:


Во многих изданиях отмечается, что 3D-печать это текущий тренд. Так что ждем ускоренного прогресса в этой области, новых принтеров и материалов.

обновление 2:
Шоколадный 3D-принтер из ЛЕГО

обновление 3:
Самодельный принтер для печати фотополимером на instructables.com
TedBeer @TedBeer
карма
90,6
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (48)

  • +3
    Спасибо, все по делу, теперь стал больше понимать и разбираться в этой захватывающей и интересной теме
  • 0
    Получается что если печатать 1-м способом, то это и так уж и дорого. А пластик разный бывает, есть и достаточно крепкий. Хочу статую себя в полный рост))
    Можно, наверное, печатать с порошком, только не фиксировать его клеем или лазером, а вытягивать «точки» и капать туда расходника. И так слой за слоем. Получится как в 1-м способе, только с достоинствами второго.
    • +1
      В гипс себя закатайте, будет макет, который потом можно чем-нибудь залить и сделать статую в полный рост :)
  • +1
    Хорошо, что собрано всё в одном месте. Особенно понравились варианты с песком и с проектором.
    Правда не плохо было бы упомянуть о родоначальнике всех этих принтеров — стереолитографии, которой уже больше 20 -ти лет (откуда и пошло название формата для печати — STL). Хотя по сути это печать фотополимером с лазерной засветкой.
    • 0
      Напишите про историю :)
      Я пытался осветить сегодняшний момент. Методы, которые можно использовать в любительских условиях. В деталях со стереолитографией я не знаком, но почему-то мне кажется, что на любительскую технологию не потянет.
  • +3
    Эх, быстрее бы цены на 3d принтеры упали, хочется увидеть такой агрегат на своем столе. Спасибо за статью
  • +1
    Я вот только во 2 виде не совсем понял. Неужели подшипник работающий получился, т.е. он действительно крутится?
    • 0
      Да, по видео видно, что крутится. В качестве поддерживающего материала, отделяющего шарики от колец выступает сам порошок.
      Интересно было бы реализовать этот метод. Печатающую головку можно потырить с обычного принтера (шоколадом-то печатают :) ), единственное, надо придумать/подсмотреть способ засыпки порошка.
      • 0
        Порошок тупо насыпается горкой на одном конце емкости и потом широкой лопаткой излишки сдвигаются в другую сторону в емкость, оставляя только тонкий слой порошка в рабочей области.
      • 0
        на видео с подшипником смотрите внимательно 1:02-1:05
        • 0
          А, там 2 ёмкости рядом. Когда надо положить новый слой — он то ли её приподнимает, то ли ёмкость с подшипником опускает, и ровняет общий уровень. Что их две — видно, когда подшипник достают. Лопатка ходит вместе с печатающей головкой. Хм. Остаётся нагуглить, что за материал можно использовать, и можно обдумывать остальную конструкцию :)
          • 0
            материал фактически любой размолотый до нужной консистенции
            даже, как я писал, металлический порошок
            главное, чтоб хорошо связывался выбранным клеем
            • 0
              Нужен такой клей, чтобы он не убил печатающие головки принтера при первой же печати. А в качестве порошка для отладочной печати мне почему-то представляется мука )
              • 0
                Стандартные печатающие головки мука убьет. Они боятся даже пыли.
                • 0
                  Имхо, пыль будет в любом случае. От чего-то больше, от чего-то меньше. Она даже в ролике есть.
                  • 0
                    Нужны дополнительные меры:
                    — убрать порошок
                    — откачать/отфильтровать запыленный воздух
                    — промыть, просушить головку
                    — задвинуть головку в безопасное место

                    Мне кажется все это реализовано в таком принтере.
                    При случае могу поинтересоваться подробностями. Через неделю грядет местечковое мероприятие, может будет кого спросить.
                    • 0
                      Я буду не против.
                      Надо будет поискать из дома что к чему с этими 3д-принтерами. С печатью пластиком слишком много проблем и ограничений, тут всё как-то проще. По крайней мере на первый взгляд. Может, даже и попробую собрать, если цена материала окажется приемлемой.
    • +1
      да, и красный ключ после удаления вспомогательного материала работает, и все шестеренки объекта на КДПВ тоже крутятся :)
      • 0
        Офигеть, до чего техника дошла. Даже представить не мог, что при помощи 3д-принтера можно создавать функционирующие устройства, а не отдельные детали.
        • 0
          Даже можно пригодные для использования инструменты
          делать
  • 0
    Было бы неплохо добавить вывод: какая технология оптимальна по соотношению цена/качество.
    А то корявые детали испещренные полосками по первому методу — ну совсем не вдохновляют…
    • 0
      А нету просто оптимальной, все зависит от потребностей, от точности изготовления, от работы софта, от материала. Надо определиться со своими требованиями, для чего нужна вам технология и тогда выбирать.
  • 0
    Я правильно понимаю, что ни одна из этих технологий не позволяет напечатать, скажем, полый куб (стоящий на одной из своих граней)?
    • 0
      Любая из них позволяет.
      Только в случае расплавленного пластика нужно будет напечатать поддерживающие конструкции используя дополнительный, растворимый материал.
      Но если вы имеете ввиду «полый куб» — куб с воздухом внутри, готовый сразу по окончанию процесса, то пожалуй только фотополимер с этим справится.
      • 0
        На основе порошка не позволяет, порошок не вытряхнуть, а то, что он там будет — вытекает из описания технологии. У остальных — зависит от реализации принтера.
        • +1
          Можно оставить технологическое отверстие :)
          Можно распечатать одну грань отдельно и наклеить после.
          А можно оставить порошок внутри, ведь в условиях не было сказано, что куб пуст. Было сказано, что он полый :)
          • +2
            Того, кто его сломает — будет ждать большой сюрприз
      • 0
        Да, это я и имел в виду — куб с воздухом внутри, готовый сразу после печати и не требующий дополнительных манипуляций.
        Спасибо
    • 0
      можно поставить его на ребро, тогда проблем не должно быть
  • 0
    О как много прекрасных идей, первые принтеры были унылы и не воодушевляли.
    А вот фотолитография, или выплавка из песка лазером, завораживает.
  • 0
    И что интересно, ни одна компания в России не смогла напечатать мне эту нанодеталь. Сферы, видите ли, мелкие.
  • 0
    обновление: шоколадный 3D принтер из ЛЕГО
  • 0
    обновление: самодельный принтер для печати фотополимером на instructables.com
  • 0
    Очень круто! Заработавший цельный подшипник поразил в самое сердце, видео с фотополимерным шариком «рождающимся» из жидкости выглядит просто фантастично! Хочу себе домой такую штуку! Вот как с машиной — умом понимаю, что ни к чему (и ставить некуда, и дороже будет, чем на метро, и по времени невыгодно получится, и денег-то нет лишних на нее), но хочется, черт побери! :)
    • 0
      Примерно такая же фигня :)
      100%, что рано или поздно приобрету. Но так как у них разные возможности, то пытаюсь определиться с требованиями и записываю идеи, а для чего мне этот принтер нужен. На данный момент у меня есть 7 идей. Думаю уже достаточно. Теперь надо расквитаться с текущими домашними проектами, чтобы было время играться с принтером, тогда можно и покупать.
  • 0
    перезалил потерявшиеся картинки, так как хабрасторадж вечером потерял все вчерашние
  • 0
    первый кто научится печатать бифштекс — станет моим кумиром
    • 0
      • 0
        На мембране много что пишут, чего мы не увидим еще лет 30.
        Например вот эта новость от 2009 года www.membrana.ru/particle/14466
        гораздо более интересная.

        Надо только развить идею — печатать кусок мяса и тут же его жарить лазером.
        • 0
          мясо не надо печатать, его можно выращивать — опять мембрана
          • 0
            неее — выращивать то долго, а при печати теоретически время и стоимость будет гораздо ниже
            • 0
              Чтобы печатать материал откуда-то должен браться, например выращиваться.
              Т.е. комбинация обоих методов — выращивание мяса на потоке, печать законченного бифштекса с нужной прожаркой/жирностью.
              • 0
                Если печатать по молекулам — можно печатать сразу готовую конфигурацию.
                Можно даже печатать сразу в зажареном виде.
                • 0
                  а кто будет «печатать» молекулы? :) они же не берутся из ниоткуда
                  • 0
                    молекулы пусть собираются из атомов, а нужные атомы покупаются в виде картриджей.
                  • 0
                    типа: что у тебя бифштекс такой странный — да вот картридж натрия к концу подходит
  • 0
    > Черный пластик на следующем фото — это такой вспомогательный материал.

    Чемоданчик жалко!
    • 0
      там не весь черный пластик — вспомогательный, платформа не растворяется :)

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.