3d принтеры

Другие особенности

Каждый 3D принтер обладает собственной кинематической схемой, согласно которой происходят механические движения частей устройства: платформы и экструдера. Что такое кинематика, можно узнать на страницах Википедии. Аппараты делятся на четыре группы в зависимости от схемы.

1. Первая схема для дельта-принтеров. При этом в устройствах двигается только экструдер, а основа остается неподвижной. Аппараты с такой схемой используются редко из-за сложной настройки, также они требуют специфическое ПО. Но, несмотря на это, печатают такие принтеры довольно быстро и точно.
2. Согласно второй схеме экструдер движется по оси X, а рабочий стол по Z и Y. Данная схема также не пользуется популярностью, но компания PP3DP разработала единственный принтер, который подчеркивает все преимущества схемы.
3. Третьи кинематические схемы наиболее распространены и востребованы. По осям X и Z движется экструдер, а по Y – платформа. Изначально конструкция не отличалась устойчивостью, но со временем несущая рама была усовершенствована: благодаря электронным датчикам стала жестче.
4. Аппараты с четвертой схемой самые устойчивые, обладают хорошим качеством печати и быстрой скорость работы. Печатающая головка движется по X и Y, основа — по Z. Самый яркий представитель устройств с такой схемой – Makerbot.

Итак, с развитием технологий появляются все более новые и необычные устройства, характеристики которых еще 15 лет назад были на грани фантастики. Зная все особенности 3D принтеров, возможно подобрать устройство для повседневного домашнего пользования, а также для производства изделий в промышленных масштабах.

Что можно создавать при помощи пластика для 3D-принтера?

• Игрушки для детей и подростков. Идеальный вариант для детских дошкольных учреждений, в которых малыши учатся создавать собственные модели различных машинок, кукол и героев мультфильмов.
• Бытовые предметы. Современные модели пластиков позволяют создавать различные отделочные изделия, которые широко используются при производстве мебели и в строительстве.
• Детали предметов и части механизмов. С помощью 3D-печати из соответствующих видов пластика можно создавать различные застежки, замки и прочие мелкие детали одежды, вещей и механизмов, которые иногда бывает сложно просто найти и купить.
• Учебные макеты. При помощи современных устройств и инновационных расходных материалов можно создавать различные устройства. Это позволяет значительно сэкономить финансовые средства и повысить эффективность учебного процесса.

Современные виды пластиковых изделий широко используются в 3Д-печати при изготовлении рекламы, сувенирной продукции. Расходные материалы могут быть представлены в различных исполнениях: термопластик, пластиковые нити, гранулы, порошки и всевозможные композитные элементы.

Заказывая пластик для трехмерной печати, обратите внимание не только на технические характеристики, но и на показатели безопасности и безвредности, особенно, если собираетесь приобретать пластик для 3D-печати для детей

Шоколад

Британские учёные представили публике первый шоколадный 3D принтер, который печатает любые шоколадные фигурки, заказанные оператором. Принтер наносит каждый следующий слой шоколада поверх предыдущего. Благодаря способности шоколада быстро застывать и твердеть при охлаждении, процесс печати протекает довольно быстро. В ближайшем будущем такие принтеры будут востребованы в кондитерских и ресторанах.

Шоколадный принтер в работе

Прочие материалы

Существуют 3D принтеры, которые предназначены для печати глиняными смесями, известковым порошком, продуктами питания, живыми органическими клетками и многими другими удивительными материалами. О том, какие материалы для 3D печати будут использоваться в ближайшем будущем, остаётся лишь догадываться.

Разновидности картезианской кинематики CoreXY и H-Bot

Данные кинематические схемы часто встречаются в коммерческих сферах. Отличаются оригинальными методами позиционирования экструдера. В обоих кинематиках платформа передвигается вверх-вниз.

CoreXY имеет два закрепленных на раме двигателя, которые приводят в движение два ремня для перемещения каретки экструдера по осям XY.

Кинематика H-Bot для 3D-принтера основана на похожей механике, но с другим ременным приводом. В данном случае ремень один и натянут по форме, напоминающей обведенную по контуру букву H (аш), за что схема и получила название аш-бот.

При работе обоих двигателей в одну сторону, каретка движется по оси X, в разные стороны — по оси Y. Когда один из двигателей остается неподвижным, каретка перемещается по диагонали.    

Одним из примеров таких 3D-принтеров, может служить Designer X PRO. Эта модель отличается высокой скоростью, так как благодаря наличию функции JetSwitch, печать 2мя материалами стала еще быстрее (до 5 секунд в обычном режиме и 250 мс в черновом режиме). А заново спроектированная печатающая головка с точностью до 1 мкм, рамная конструкция, точная механика и аппаратная платформа  нового поколения позволит вам напечатать модели высокого качества, сравнимые с промышленными изделиями. Обладает функцией двухматериальной печати. ПО полностью контролирует процесс, что минимизирует ошибки и увеличивает производительность 3D-принтера.

Пример печати:

Стандартная конструкция

По конструкции 3D принтер во многом схож с устройством его брата, печатающего 2D изображения. Основное его отличие – это способность делать предметы объемными: помимо ширины и длины к элементу добавляется еще и глубина. Устройство, способное печатать в трех плоскостях, имеет следующие составные части:

• раму – каркас, который закрепляет все остальные элементы принтера;
• платформу – основание, где происходит создание объемных предметов;
• картезианского робота – устройство, которое двигается по трем осям;
• мотор – сердце принтера, отвечающее за движение всей конструкции;
• экструдер – элемент, нагревающий и выдавливающий пластик;
• специальные датчики, которые не позволяют выйти частям принтера за пределы основания во время работы.

Устройство экструдера 3D-принтера

Типичный экструдер для печати пластиком делится на две основные части: блок с механизмом подачи филамента (колд-энд, “холодный конец”, cold end) и сопло с нагревателем (хот-энд, “горячий конец”, hot-end).

Экструдер 3D-принтера Solidoodle. Хорошо видно красный филамент, зажатый между подающим роликом (слева) и прижимным. Прямоугольная алюминиевая деталь на сопле — нагреватель.

Подающие ролики (втулки)

Подаватель филамента состоит из колеса (шестерни), соединенного с электромотором (напрямую или через редуктор), и прижимного механизма. Подающее колесо, вращаясь, вытягивает филамент из катушки и направляет его в хот-энд, где пластик плавится под воздействием высокой температуры и выдавливается через отверстие в сопле.

“Горячий конец” экструдера делают из металла с высокой теплопроводностью (алюминия или латуни); нагревательный элемент, как правило, выполнен в виде одного-двух резисторов или спирали из нихромовой проволоки. Для отслеживания и последующей регулировки температуры, к соплу экструдера крепится датчик (термопара).Экструдер 3D-принтера Printbox3D One с системой охлаждения

Хот-энд сильно разогревается во время работы, а остальные части экструдера должны оставаться холодными, иначе филамент начинает плавиться слишком рано. Поэтому, между “холодным” и “горячим” концами экструдера устанавливается теплоизолирующая вставка (обычно из термостойкого пластика PEEK). Кроме того, для охлаждения колд-энда, в печатающую головку часто встраивают радиатор с вентилятором.

Преимущества картезианской схемы

Из всех видов кинематических схем FDM 3D-принтеров, картезианские показывают практически идеальную стабильность результатов. Расходные материалы для FDM имеют низкую стоимость и поставляются в широчайшем ассортименте цветов и материалов. Часто картезианские 3D-принтеры применяются в коммерческих целях – для печати на заказ и на продажу бытовых объектов, сувенирной продукции и украшений.

Картезианские 3D-принтеры уже давно и прочно обосновались в жизни любителей и профессионалов 3D-печати. Поэтому в сети множество тематических сообществ с исчерпывающей информацией об устройстве принтеров, работе с ними и создании моделей, от простых до сложных.

Модели, построенные на декартовой системе координат, можно разделять на составные части для печати, что позволяет создавать  3D-печатные объекты любого размера, не ограниченные объемом принтера. Многие 3D-принтеры поставляются в виде набора для сборки. Для новичков и тех, кто не хочет разбираться в устройстве принтера, производители поставляют готовые устройства. С ними печатать модели можно практически после распаковки.

Гидрогель

Учёные из иллинойского Университета (США) напечатали при помощи 3D принтера и гидрогеля биороботов длиной 5-10 мм. На поверхность биороботов поместили клетки сердечной ткани, которые распространились по гидрогелю и начали сокращаться, приводя в движение робота. Такие роботы из гидрогеля способны передвигаться со скоростью 236 микрометров в секунду. В будущем они будут запускаться в организм человека для обнаружения и нейтрализации опухолей и токсинов, а также для транспортировки лекарственных препаратов к месту назначения.

Биороботы из гидрогеля, напечатанные 3D принтером

LOM

Технология LOM (laminated object manufacturing) заключается в том, что тонкие ламинированные листы вырезаются лазером (ножом), а затем спекаются (прессуются) вместе. В итоге получается, что трехмерный объект состоит из слоев, которые прочно склеены между собой. Таким образом можно распечатывать 3d модели из бумаги, пластика и даже алюминия (в последнем случае используется тонкая фольга). Как правило, объекты, которые были получены при помощи данного вида 3d печати, потом нуждаются в дополнительной обработке (удаления лишних слоев, шлифованию и др.). Главным преимуществом технологии LOM можно назвать низкую себестоимость производства, так как расходные материалы являются общедоступными и стоят относительно недорого, а к минусам можно отнести то, что точность изделий несколько ниже, чем при печати с помощью других технологий (например, стереолитографии или SL).

https://youtube.com/watch?v=6C7bjzIW610

Нейлон

Печать нейлоном имеет много общего с печатью АВС-пластиком. Исключениями являются более высокая температура печати (около 320°С), высокая способность впитывать воду, более продолжительный период застывания, необходимость откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона. Нейлон – это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки, нейлон с успехом используют в 3D печати, так как детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АВС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.

Нейлоновая нить для 3D печати

Изделия из нейлона, напечатанные 3D принтером

Двойной экструдер

В настоящее время на рынке представлено несколько моделей 3D-принтеров, печатающие головки которых оснащены двумя (и даже тремя!) экструдерами (например, MakerBot Replicator Dual и 2X).

Печатающая головка 3D-принтера Replicator Dual
Двойной экструдер хорошо подходит для печати двухцветных объектов или создания структур поддержки из растворимого полимера, т.к. позволяют иметь наготове и оперативно использовать два вида пластика. Но, в целом, технология двойной экструзии сыровата и находится в стадии развития, поэтому у нее масса недостатков.

Самое главное, что современные 3D-принтеры не могут полноценно печатать одновременно обоими экструдерами — они жестко закреплены на общей печатающей головке, и не двигаются независимо. Поэтому, принтер задействует каждый экструдер по мере необходимости.

Метод по-настоящему одновременной печати существует — называется он “Ditto printing”. Экструдеры, работая одновременно, строят две копии одного объекта. Но, Ditto printing имеет очень ограниченное применение, т.к. позволяет получать только маленькие объекты одного цвета, или двухцветные большие, но с повторяющейся структурой, вроде цепи или плетенки.

К недостаткам 3D-принтеров с двойным экструдером также относится их повышенная стоимость и сложность в настройке. Навешивание дополнительных деталей печатающую головку увеличивает ее габариты, массу и инерцию, что уменьшает скорость работы принтера и размеры области печати. Кроме того, сопло незадействованного во время печати экструдера может цеплять и деформировать объект или оставлять на его поверхности потеки филамента.

Анализ роботизированных кинематических схем

Преимущества 3D-принтеров с роботизированным манипулятором очевидны – такой принтер не ограничен объемом рабочей камеры, которой у него нет – при той же области печати, само устройство занимает намного меньше места.

Экструдер может перемещаться не только послойно, как в настольных принтерах, но и по сложным траекториям в трех измерениях, и под разными углами, что облегчает процесс создания сложных конструкций. Несомненный плюс также то, что обычно это универсальные конструкции, при замене экструдера на другие блоки выполняющие множество задач.

По точности печати манипуляторы не составят конкуренции картезианским 3D-принтерам, но, благодаря своей универсальности и крупным размерам, промышленные роботы активно используются в 3D-печати в промышленных условиях, где почти незаменимы.

Миниатюрные настольные роботы хороши в первую очередь как наглядное пособие, а также объект хобби или инструмент для него.

Виды по материалу производства

Для простых принтеров необходимо приобретать картриджи с краской или заправлять их. В аппаратах, которые печатают объемные предметы, используют варианты других расходных материалов, которые заправляются в 3D принтер и определяют типы устройств.

Порошок

Обычно порошок применяется в лазерных аппаратах. Суть их работы следующая: печатающая головка наносит связующий материал на платформу, а затем на него тонким слоем насыпается порошок, который под действием лазера спекается с веществом. Действие повторяется до тех пор, пока не будет готов трехмерный предмет.

Гипс

Принтеры, заправляющиеся гипсовым порошком, преимущественно используют для создания декоративных элементов интерьера. При работе обязательно используется связующее вещество. Для таких устройств подойдет не только порошок из гипса, но и из шпаклевки или цемента.

Фотополимер

Чтобы создать объемный объект, также применяется жидкий фотополимер – специальные светочувствительные смолы. Они могут различаться по твердости, цвету, прозрачности и другим характеристикам, но общая черта заключается в том, что все смолы меняют свои качественные характеристики под воздействием солнечного света, то есть – приобретают окончательный вид. При этом предметы получаются прочными и устойчивыми к воде и свету. Суть работы принтера: ультрафиолетовый лазер засвечивает места, заданные программой,  которые начинают затвердевать под действием УФ лучей.

Воск

Воск – материал, который плавится при относительно невысоких температурах. Благодаря легкости работы с этим веществом контуры объекта получаются четкими и точными, что позволяет использовать принтер в сферах, где необходимо скрупулезное соответствие заданным параметрам (например, в медицине). Принцип работы устройства идентичен фотополимерным аналогам.

Нейлон

Нейлон схож с пластиком, но имеет лучшую сопротивляемость высоким температурам, а также способен впитывать влагу. Из такого материала в основном печатают шестерни и запчасти для механизмов, так как он токсичен. Кроме того, чтобы застынуть, ему нужно продолжительное время.

Важные характеристики экструдеров филамента

Хотя в конструкции любого экструдера, в принципе, нет ничего сложного, существуют несколько важных нюансов.

В первую очередь, это материал корпуса и механизмов.

Некоторые производители оснащают свои экструдеры, вплоть до нагруженных компонентов, дешевыми 3D-печатными деталями

Нужно учесть, что литые детали прочнее 3D-печатных, поэтому, стоит обратить на это внимание

Надежность подачи филамента. От подающего механизма зависит бесперебойность печати, в итоге — ее результат.

Филамент, как и любая длинная нить, может просто запутаться, что приведет к заклиниванию механизма. Достаточно мощный подаватель, в таком случае, сможет “проглотить” филамент даже с небольшими узелками или перехлестами.

Кроме того, из-за недостаточного сцепления подающего ролика с филаментом, пластиковая нить может проскальзывать, из-за чего возникают задержки в ее подаче.

В связи с этим стоит упомянуть печать нейлоном (капроном). Из-за мягкости и скользкости этого пластика, экструдеры, рассчитанные на ABS и PLA, не всегда могут с ним нормально работать: подающее колесо с гладкими зубцами просто не способно надежно зацепиться за филамент.

Поэтому, при печати нейлоном желательно использовать подающий ролик с острыми зубчиками или агрессивной насечкой.

Важнейший аспект — размер сопла экструдера. Именно от него зависит, в большой степени, качество печати.

Производители 3D-принтеров обычно оснащают свои экструдеры соплами с отверстием диаметром 0.4-0.5 мм — этот размер является оптимальным. В свою очередь, использование сопла меньшего диаметра (0.3-0.2 мм) может обеспечить лучшую детализацию, четкость граней и чистоту поверхности объекта, т.к. выдавливаются более мелкие капли пластика.
С другой стороны, маленькое сопло увеличивает время печати объекта, оно более склонно к забиванию мусором и застывшей пластмассой. Потенциально, также растут требования к мощности подавателя филамента, т.к. экструдеру становится сложнее протолкнуть пластик через маленькое отверстие.
В любом случае, в современных 3D-принтерах, как правило, можно использовать сменные сопла с отверстиями разного диаметра.

Используемые технологии

Методы объемной печати бывают разных видов, которых на данном этапе насчитывается семь. Если есть желание приобрести 3D принтер, полезно знать характеристики каждого способа.

FDM

Данная технология является самой распространенной и представляет собой послойное направление нити расходного материала по контуру объекта. Пруток помещается в экструдер, где на него воздействует нагревательный элемент, в результате чего происходит плавление материала, который выдавливается через сопло на платформу. Печатающая головка двигается по траектории, заданной программой, и создает объект слоями. Когда процесс печати окончен, материал застывает, но нужно отделить некоторые лишние части, которые были вспомогательными при создании объекта.

Такая технология позволяет использовать термический пластик высокого качества. Объемные предметы получаются достаточно прочными и устойчивыми. Принтеры можно использовать в доме или офисе благодаря экологической чистоте и простоте работы.

Polyjet

Эта технология подразумевает способ многоструйного моделирования. Подача материала происходит через сопла, которых может быть сотни. Когда предыдущий слой застывает, происходит непосредственно формирование заданного объемного предмета. Материал применяют различный: специальный воск, пластик или фотополимеры. Можно получать разноцветные модели, а также сочетать разные виды расходников.

LENS

Данный принцип работы заключается в нанесении порошка на луч лазера, при этом материал моментально спекается. Трехмерный предмет создается таким образом слой за слоем. Благодаря этой технологии 3D печать начали применять в большой промышленности, так как метод применим для металлов. Кроме того, возможно смешивать порошки для получения сплавов прямо во время процесса создания.

LOM

Этот метод печатания происходит путем ламинирования — тонкие пленки из полимеров или ламинированной бумаги склеиваются под воздействием высоких температур. Затем лазер обрезает ненужные части модели, обозначая контуры.

SLA

Данная технология основана на использовании жидких фотополимерных смол, которые способны застывать под воздействием лазера. По методу Laser Stereolithography изготавливают модели с тонкими и четкими контурами, именно поэтому такие 3D принтеры применяют для зубных имплантатов в стоматологии, а также в ювелирном деле. Но этот метод печати требует дорогих и качественных материалов.

SLS

Такой принцип действия заключается в подаче на платформу тонкого слоя стекла, металла, пластика или керамики в порошковом виде. Расходник спекается под лазерным лучом. После формирования первого слоя, основа движется вниз, и процесс изготовления повторяется. Поддерживающие конструкции при работе не нужны, но изделиям требуется термическая обработка после завершения печати.

3DP

Эта технология схожа с предыдущим способом, но без спекания — порошковый материал формирует модель с помощью склеивания слоев. В клей есть возможность добавить различные красители, в результате чего трехмерные объекты получатся цветными.

Как появился трехмерный принтер

Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.

Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно. 

Первый 3D-принтинг. Изготовление физических предметов с помощью цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры еще не сильно отличались от калькуляторов, а до выхода Windows-95 было десять лет, он изобрел стереолитографию – предшественницу 3D-печати. Работала технология так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал застывал и превращался в пластиковое изделие. Форму печатали по цифровым объектам, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими издержками. 

Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.

Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.

Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.

В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».

кинематика 3д принтера .