Технологія 3-D друку
Зміст
Вступ
Технології 3-D друку
Основні технології: короткий огляд
Сучасні технології тривимірного друку
Застосування технології 3-D друку
Сучасне програмне забезпечення для роботи з 3-D принтерами
3-D друк в Україні та у Львові
Висновок
Список літератури
Вступ
3D-друк є однією з форм технології адитивного виробництва, де тривимірний об'єкт створюється шляхом накладання послідовних шарів матеріалу. 3D-принтери, як правило, швидші, більш доступні і прості у використанні, ніж інші технології адитивного виробництва. 3D-принтери пропонують розробникам продуктів можливість друку деталей і механізмів з декількох матеріалів та з різними механічними і фізичними властивостями за один процес складання.
D друк часто називають "магічною" технологією. Ви розробляєте щось у CAD, запускаєте на друк, і через кілька хвилин постає повністю сформований об'єкт. У реальності 3D процес друку вимагає багато ручної праці. Величезна кількість попередньої підготовки і подальшої обробки необхідна для якості надрукованої деталі.
З 2003 року спостерігається значне зростання у продажі 3D принтерів. Крім того, вартість 3D принтерів знизилася. Технологія також знаходить застосування в сфері ювелірних виробів, взуття, промислового дизайну, архітектури, проектування та будівництва (AEC), автомобільної, аерокосмічної, стоматологічних та медичних галузях.
D-принтер - пристрій, що використовує метод створення фізичного об'єкта на основі віртуальної 3D-моделі.
Вже давно тривимірне моделювання стало невід'ємною частиною створення складних архітектурних технологічних об'єктів. Після їх розробки необхідне обов'язкове втілення 3D-моделі у твердій копії, що раніше вимагало тривалого часу і роботи декількох фахівців. На сьогоднішній день з'явилася практична можливість прискорити цей процес. 3D-друк, також відомий як адитивне виробництво (АВ) або швидке виробництво, був вперше впроваджений більше ніж два десятиліття тому в формі RP (RapidPrototyping - швидке прототипування). В теперішній час адитивне виробництво розпочало перехід від масового виробництва до масової модернізації відповідно до потреб замовника і персоналізації у створенні багатьох товарів. Однією з галузей, яка при цьому буде розвиватися - це виробництво 3D-принтерів, систем, які використовують широкий спектр електричних та електронних компонентів, в тому числі вимикачів, реле, серводвигунів, ультрафіолетового світла і різних типів лазерів. Для вирішення нинішніх проблем необхідні свіжі рішення, які спираються на нові технології.
Тривимірний друк часто називають "магічною" технологією. Користувач розробляє модель у CAD (система автоматизованого проектування), запускає її на друк, і через декілька хвилин одержує повністю сформований об'єкт. 3D-друк відкриває нові перспективи в сфері виробництва, зокрема, економічно ефективного виробництва високотехнологічних виробів або надто складних продуктів у порівняно невеликих обсягах в короткі терміни. Це стосується таких нових технологій, як виробництво літаків чи супутників, коли складні деталі виготовляються у невеликих обсягах. Основною перевагою тривимірного друку перед традиційними способами створення макетів є швидкість їх виготовлення.
Наприклад, для того, щоб виробити 15 кг дорогих сплавів для аерокосмічної галузі використовується 1 кг цінних компонентів. Залишки матеріалу, відходи та хімічні речовини, які виникають у процесі обробки, повинні бути перероблені, що викликає значні додаткові витрати із споживанням великої кількості енергії. Навпаки, за одну процедуру RP може робити дуже складні елементи. Крім того, відміну від інших методів, RP не використовує жодних токсичних речовин у процесі виробництва.
Адитивне виробництво - це нова технологія, яка поки що використовується на невеликих за обсягом високотехнологічних виробництвах, для яких вона є економічно ефективною. Швидке виготовлення прототипів вже стало найважливішою частиною процесу проектування. Технології і системи 3D-друку будуть займати все більше місця в житті, і в недалекому майбутньому RP - системи стануть доступними будь-якому користувачеві і перетворяться на звичний інструмент художника і конструктора.
тривимірний друк принтер
Технології 3-D друку
Історія установок для друку об'ємних зразків налічує вже майже три десятиліття, але довгий час вони залишалися екзотичними пристроями з високою ціною і дуже обмеженою сферою застосування. Однак в останні роки інтерес до них став зростати в геометричній прогресії, причому не тільки в ентузіастів або вузьких фахівців: компанії, що займаються виробництвом і проектуванням найрізноманітнішої продукції, активно використовують 3D-принтери, а уряди найбільш розвинених країн роблять або планують найближчим часом зробити інвестиції у створення центрів розвитку технологій 3D-друку, здатних скоротити витрати виробництва складної технічної продукції. І не тільки: розуміючи, що в недалекому майбутньому буде потрібно чимало фахівців у цій галузі, розробляються або вже впроваджуються плани навчання основам 3D-моделювання та друку в освітніх установах з фінансуванням з держбюджету.
Новини зі світу 3D-друку сьогодні зустрічаються у всіх стрічках новин, кількість присвячених цьому питанню сайтів насилу піддається обчисленню; інформації дуже багато, тому для початку зробимо короткий екскурс як в самі технології друку, так і в їх історію, сьогодення і найближче майбутнє.
Основні технології: короткий огляд
Почнемо з технологічних основ. У багатьох звичних способах обробки матеріалів, особливо тих, які використовуються на етапі моделювання та створення прототипів, найчастіше використовується принцип "взяти заготовку і видалити все зайве", при якому утворюється велика кількість відходів. У цьому плані 3D-друк відрізняється радикально: процес починається з нуля і поступово, послідовним додаванням шарів (тобто адитивно), "вирощується" майбутній виріб. Відходів при цьому може взагалі не бути, хоча у деяких з наявних технологій без них теж не обходиться, але у відносно невеликих кількостях.
Є і ще один момент: на відміну від роботи на звичних пристроях обробки (фрезерних, токарних і інших верстатах), 3D-друк не вимагає глибоких знань в галузі матеріалознавства та великого досвіду в обробці матеріалів. Звичайно, тут теж не обходиться без тонкощів і хитрощів, але навчитися друкувати зразки по готовим моделям на 3D-принтерах можна набагато швидше.
В даний час кількість технологій об'ємного друку перевищила десяток, навіть якщо не рахувати схожі методи, які в силу патентних обмежень мають різні назви. Всі вони можуть бути зведені до декількох основних методів.
Дві з них нагадують звичайний струменевий 2D-друк:
Екструзія: матеріал розплавляється і в рідкому вигляді видавлюється через сопло (одне або декілька) малого діаметру; шари злипаються один з одним і при охолодженні застигають, набуваючи міцності.
Фотополімеризація: приблизно те ж, що і екструзія, але рідкий фотополімер застигає під впливом ультрафіолетового випромінення.
Є й схожість з лазерними принтерами:
Лазерне спікання: матеріал у вигляді порошку або гранул наноситься тонким рівномірним шаром і потім спікається за допомогою лазера, потім наноситься і спікається наступний шар і т.д. Точно так само, як у лазерних принтерів є "двоюрідні брати" - світлодіодні принтери, у цієї технології є варіант, коли спікання проводиться не лазерним, а електронним променем.
Стереолітографія: на поверхні рідкого фотополімеру засвічені лазером мікроділянки застигають і попіксельно утворюють черговий шар майбутнього об'єкта; потім відбувається занурення готового шару і формування наступного.
Але великій кількості методів аналоги зі світу 2D-друку підібрати важко:
Ламінування: шари з тонких плівок, кожен з яких вирізається в формі перетину майбутньої деталі, послідовно з'єднуються нагріванням або тиском.
Склеювання: з основи у вигляді порошку або гранул шари формуються за допомогою рідкого клею, що подається з сопла.
І вже зовсім фантастичними здаються реально існуючі в даний час біопринтери, за допомогою яких вирощують деякі органи для подальшої пересадки в організм людини. Природно, майбутній об'єкт формується з біологічних матеріалів - наприклад, стовбурових клітин.
Курйозом на цьому тлі виглядає 3D-принтер, що друкує швидкозастигаючим бетоном. І це не жарт, а реально існуюча технологія Contour Crafting, яка дозволяє за добу зводити двоповерховий будинок площею понад 200 квадратних метрів.
Короткий екскурс в історію (ВКП (б)) - 3D-друку
Історично першою була технологія стереолітографії SLA (Stereolithography), розроблена в 1984-му і запатентована в 1986-му році Чарльзом Халлом (Charles W. Hull). У тому ж 1986 році було розроблено перший комерційний пристрій об'ємного друку (терміну "3D-друк" тоді ще не існувало і користувалися словом "прототипування") і заснована компанія 3D Systems, що стала в даний час одним з провідних виробників 3D-принтерів і матеріалів до них.
Приблизно в той же час, в 1985 році, Михайлом Фейгеном (Michael Feygin) була запропонована технологія ламінування LOM (Laminated Object Manufacturing), а в 1986 році Карл Декард і Джо Биман (Carl Decard, Joe Beaman) розробили метод селективного лазерного спікання SLS (Selective Laser Sintering).
У 1988-му Скотт Крамп (S. Scott Crump) винайшов технологію пошарового наплавлення FDM (Fused Deposition Modeling), що стала зараз найпоширенішою через відносну дешевизну як самих принтерів, так і витратних матеріалів. У наступному році він заснував компанію Stratasys, а в 1991-му ця компанія випустила перший FDM-принтер.
Китай вже тоді не міг залишитися осторонь від настільки привабливого процесу, і в кінці 80-х в цій країні запропонували свою технологію, дуже схожу на FDM, але в силу патентних обмежень названу MEM (Melted and Extruded Manufacturing).
Термін "3D-друк" був придуманий студентами Массачусетського технологічного інституту набагато пізніше, в 1995 році. Коротка і змістовна назва прижилася, але у неї все ж є один недолік: на її основі необізнані люди часом вважають, що друкувати на 3D-принтері настільки ж просто, як і на звичайному - включивши апарат, відправивши на нього файл з якогось додатка і швиденько надрукувавши бажаний результат. Проте всі технології мають свої тонкощі, без знання яких гарний зразок не отримаєш, та до того ж найменша фігурка друкується довше, ніж документ в сотню сторінок на папері.
рік: представлена технологія PolyJet.
Перший принтер з досить високою якістю кольорового 3D-друку був випущений ще через 5 років, в 2005 році.
Далі процес розвитку нових технологій і вдосконалення наявних пішов з прискоренням.
рік: перший принтер, що працює за технологією 3DP. Тоді ж в рамках проекту RepRap з'явився принтер, здатний відтворити сам себе (не повністю, звичайно, а приблизно наполовину).
рік: друк штучних кровоносних судин.
У цьому ж році з'явилися принтери, що одержали назву "Ріг достатку" (Cornucopia) і здатні створити готову страву з харчових продуктів. А в наступному році принтери навчили друкувати шоколадом.
У 2012 році з'явився перший принтер для домашнього використання, заснований на технології FDM.
рік і зовсім став дуже плідним:
·в Microsoft Windows 8.1 з'явився додаток для 3D-друку, що отримало назву 3D Builder; правда, це скоріше маркетинговий хід, "ще один аргумент" на користь даної ОС, оскільки додаток годиться хіба що для початкового знайомства з об'ємним друком;
·почалося створення за 3D-технологіями індивідуальних протезів для імплантації замість пошкоджених кісткових тканин;
·канадський інженер Рілан Грейсон (Rylan Grayson) розробив нову технологію, при якій світлочутливий гумоподібний матеріал твердне під впливом лазера; очікується, що комерційна версія такого принтера Peachy Printer буде мати ціну близько $ 100; причому цей принтер дуже легко може бути перетворений в 3D-сканер;
·підготовлений до випуску перший принтер для виробництва піци.
Звичайно, головні гравці на ринку звичайних принтерів не могли пройти повз настільки перспективного ринку 3D-друку: компанія Hewlett-Packard планує приєднатися до нього в середині 2014 року і, за заявою її голови Мег Уїтмен (Margaret "Meg" Whitman), HP бажає очолити цей бізнес.також не обійшов увагою те, що відбувається в даній сфері, однак не має наміру займатися недосконалими споживчими моделями, а збирається зосередитися на промислових принтерах для багатосерійного виробництва.
рік: ще один великий виробник ПЗ, компанія Adobe, випустила оновлення для Photoshop CC, що дозволяє редагувати і роздруковувати 3D-об'єкти. А Microsoft включила в Windows 8.1 драйвер для популярного принтера UP! 3D. Провідні виробники 3D-принтерів також або вже мають, або готують драйвери для своїх моделей під цю операційну систему.
На виставці SolidWorks World 2014 був представлений перший у світі 3D-принтер, що поєднує можливість друку декількома кольорами і матеріалами. Для отримання потрібного кольору використовується комбінація тих же трьох основних кольорів, що і в звичайних принтерах. Таким чином, можна буде отримувати складні моделі без додаткового складання або забарвлення, от тільки ціна такого принтера, близько 330 тисяч доларів, навряд чи зробить його застосування поширеним.
Вже підготовлений до комерційної реалізації перший ручний принтер 3Doodler, що формою нагадує товстенький і довгий маркер. Використовується принцип технології FDM, а переміщення сопла в просторі проводиться рукою. Звичайно, це скоріше іграшка, ніж серйозний пристрій, однак при наявності твердої руки і з його допомогою можна зробити дещо цікаве.
Список того, що відбувається можна продовжувати нескінченно, ми лише відтворили основні етапи недавнього минулого і привели найбільш характерні приклади із сьогодення і найближчого майбутнього.
Сучасні технології тривимірного друку
Принципи, можливості, витратні матеріали, ціни
У попередньому розділі ми вже розповідали, що технологій 3D-друку дуже багато, і регулярно з'являються або нові, або модифікації вже відомих, тому ми не будемо намагатися осягнути неосяжне і докладніше розповімо лише про найбільш цікаві та поширені.
Почнемо, звичайно, зі стереолітографії, яка історично була найпершою.
Стереолітографія (StereoLithography Apparatus, SLA)
Вихідним продуктом є рідкий фотополімер, в який доданий спеціальний реагент-затверджувач, і ця суміш нагадує всім відому епоксидну смолу, тільки в звичайному стані вона залишається рідкою, а полімеризується і стає твердою під впливом ультрафіолетового лазера.
Природно, лазер не може відразу створити всю модель в товщі полімеру, і мова може йти тільки про послідовну побудову тонкими шарами. Тому використовується рухома підкладка з отворами, яка за допомогою мікроліфта-елеватора занурюється в фотополімер на товщину одного шару, потім лазерний промінь засвічує області, що підлягають затвердінню, підкладка занурюється ще на товщину одного шару, знову працює лазер, і так далі.
Не обходиться і без істотних складнощів. По-перше, вимоги до самого фотополімера досить суперечливі: якщо він буде густим, то його легше полімеризувати, але складніше забезпечити рівну поверхню після кожного кроку занурення; доводиться використовувати спеціальну лінійку, яка на кожному кроці проходить по поверхні рідини і вирівнює її. Велика кількість затверджувача при фіксованій потужності лазера дозволить зменшити необхідний час впливу, проте неминуча фонова засвітка "псує" навколишній обсяг полімеру і скорочує можливий термін його використання.
По-друге, повна полімеризація кожного шару зайняла б чимало часу, тому засвітка виробляється до рівня, при якому шар набуває лише мінімально необхідну міцність, а згодом готову модель, попередньо промивши від залишків рідкого полімеру, доводиться опромінювати потужним джерелом в спеціальній камері, щоб полімеризація досягла 100%.
·можна отримати дуже високу роздільну здатність друку, тобто досягти хорошої точності при виготовленні моделей, яка по вертикалі залежить в основному від можливостей елеватора, що занурює платформу, і зазвичай становить 100 мкм, а в кращих апаратах і менше, до 25-50 мкм; по горизонталі точність визначається фокусуванням лазерного променя, цілком реальним є діаметр "плями" в 200 мкм; відповідно і якість поверхні навіть без додаткової обробки виходить високою;
·можна отримувати дуже великі моделі, розміром до 150 × 75 × 55 см і вагою до 150 кг;
·механічна міцність одержуваних зразків досить висока, вони можуть витримувати температуру до 100° С;
·дуже мало обмежень на складність моделі і наявність у неї дрібних елементів;
·мала кількість відходів;
·легкість фінішної обробки, якщо така взагалі буде потрібно.
Недоліки:
·обмежений вибір матеріалів для виготовлення моделей;
·неможливість кольорового друку і поєднання різних матеріалів в одному циклі;
·мала швидкість друку, максимум 10-20 міліметрів на годину по вертикалі;
·дуже великі габарити і вага: так, один з SLA-апаратів 3D Systems ProX 950 важить 2,4 тонни при розмірах 2,2 × 1,6 × 2,26 м.
Хоча ми згадали обмеженість спектра витратних матеріалів, але все ж вибір є, і можна отримувати моделі з різними властивостями: з підвищеною термостійкістю, гнучкі, з високою стійкістю до абразивів. Правда, з кольорами гірше: доступна дуже обмежена кількість, включаючи білий, сірий, а також напівпрозорий.
Але головний мінус - висока ціна як самих принтерів (сотні тисяч доларів), так і витратних матеріалів (дві-три тисячі доларів за 10-кілограмовий картридж), тому масово SLA-апарати не зустрічаються.
Вибіркове лазерне спікання (Selective Laser Sintering, SLS)
Цей метод з'явився приблизно в той же час, що і SLA, і навіть має з ним багато спільного, тільки замість рідини використовується порошок з діаметром часток 50-100 мкм, тонкими рівномірними шарами розподіляється в горизонтальній площині, а потім лазерний промінь спікає ділянки, що підлягають затвердінню на даному шарі моделі.
Вихідні матеріали можуть бути найрізноманітніші: метал, пластик, кераміка, скло, ливарний віск. Порошок наноситься і розрівнюється по поверхні робочого столу спеціальним валиком, який при зворотному проході видаляє надлишки порошку. Потім працює потужний лазер, спікає частинки одна з одною і з попереднім шаром, після чого стіл опускається на величину, рівну висоті одного шару. Для зниження потужності лазера, необхідної для спікання, порошок в робочій камері попередньо нагрівається майже до температури плавлення, а сам лазер працює в імпульсному режимі, оскільки для спікання важливіше пікова потужність, а не тривалість впливу.
Частинки можуть розплавлятися повністю або частково (по поверхні). Незапечений порошок, який залишається навколо отверділих шарів, служить підтримкою при створенні нависаючих елементів моделі, тому немає необхідності у формуванні спеціальних підтримуючих структур. Але цей порошок по закінченні процесу необхідно видалити як з камери, особливо якщо наступна модель буде створюватися з іншого матеріалу, так і з порожнин вже виготовленої моделі, що можна зробити лише після її повного охолодження.
Часто потрібна фінішна обробка - наприклад, полірування, оскільки поверхня може виходити шорсткою або з видимою шаруватістю. Крім того, матеріал може використовуватися не тільки чистий, але і в суміші з полімером або у вигляді частинок, покритих полімером, залишки якого потрібно видалити шляхом випалювання в спеціальній печі. Для металів одночасно відбувається заповнення виникаючих пустот бронзою.
Оскільки мова йде про високі температури, необхідні для спікання, процес відбувається в азотному середовищі з малим вмістом кисню. При роботі з металами це ще й запобігає окисленню.
Серійно випускаються установки SLS, що дозволяють працювати з досить великими об'єктами, до 55 × 55 × 75 см.
Габарити і вага самих установок, як і SLA, досить вражаючі. Так, апарат Formiga P100, зображений на фото, при досить малих розмірах моделей, що він виробляє (робоча зона 20 × 25 × 33 см) має розміри 1,32 × 1,07 × 2,2 м при вазі 600 кг, і це без урахування таких опцій, як установки для змішування порошку і системи очищення-фільтрації. Причому працювати P100 може тільки з пластиками (поліамід, полістирол).
Варіантами технології є:
·Селективне лазерне плавлення (Selective Laser Melting, SLM), яке використовується для роботи з чистими металами без домішок полімеру і дозволяє створити готовий зразок за один етап.
·Електронно-променеве плавлення (Electron Beam Melting, EBM) з використанням електронного променя замість лазера; ця технологія вимагає роботи у вакуумній камері, але дозволяє використовувати навіть такі метали, як титан.
Зустрічаються і такі назви, як Direct Metal Fabrication (DMF), а також Direct Manufacturing.
Принтер SPRO 250 Direct Metal виробництва 3D Systems, який, як зрозуміло з назви, може працювати з металами за технологією SLM, з робочою камерою 25×24×32 см має розмір 1,7×0,8×2 метри і вага 1225 кг. Заявлена швидкість від 5 до 20 кубічних сантиметрів на годину, і можна зробити висновок, що модель об'ємом зі склянку буде виготовлятися мінімум 10 годин.
Переваги:
·широкий спектр матеріалів, придатних для використання;
·дозволяє створювати дуже складні моделі;
·швидкість в середньому вище, ніж у SLA, і може досягати 30-40 мм на годину по вертикалі;
·може використовуватися не тільки для створення прототипів, але і для дрібносерійного виробництва, в т. ч. ювелірних виробів;
Недоліки:
·потрібні потужний лазер і герметична камера, в якій створюється середовище з малим вмістом кисню;
·менша, ніж у SLA, максимальний роздільна здатність: мінімальна товщина шару 0,1-0,15 мм (залежно від матеріалу може бути і трохи менше 0,1 мм); по горизонталі, як і в SLA, точність визначається фокусуванням лазерного променя;
·потрібен довгий підготовчий етап для прогріву порошку, а потім потрібно чекати вистигання отриманого зразка, щоб можна було видалити залишки порошку;
·в більшості випадків потрібна фінішна обробка.
Ціна на установки SLS ще вище, ніж SLA, і може досягати мільйонів доларів. Проте відзначимо, що в лютому 2014 закінчився термін патентів на технологію SLS, тому цілком можна спрогнозувати збільшення кількості компаній, що пропонують подібну техніку, а відповідно і помітне зниження цін. Тим не менш, навряд чи в найближчі роки ціни знизяться настільки істотно, що SLS-друк стане доступною хоча б малому бізнесу, не кажучи вже про приватних ентузіастів.
Метод багатоструеневого моделювання (Multi Jet Modeling, MJM)
Принтери, засновані на даній технології, випускаються компанією 3D Systems. У зв'язку з патентними обмеженнями є і назви, використовувані іншими виробниками принтерів: PolyJet (Photopolymer Jetting, компанія Stratasys), DODJet (Drop-On-Demand Jet, компанія Solidscape). Звичайно, відмінності не тільки в назвах, але базові принципи схожі.
Процес дуже нагадує звичайний струменевий друк: матеріал подається через сопла малого діаметру, розташовані рядами на друкуючій голівці. Кількість сопел може бути від декількох штук до декількох сотень. Звичайно, матеріал не є рідким при кімнатній температурі: спочатку він нагрівається до температури плавлення (як правило, не дуже високої), потім подається в головку, наноситься пошарово і застигає. Шари формуються переміщенням головки в горизонтальній площині, а вертикальне зміщення при переході до наступного шару, як і в попередніх випадках, забезпечується опусканням робочого столу. У варіанті DODJet додається етап обробки шару фрезерною головкою.
Як матеріал для MJM-принтерів використовують пластики, фотополімери, спеціальний віск, а також матеріали для медичних імплантів, зубних зліпків і протезів. Можлива й комбінація різних матеріалів: на відміну від попередніх двох технологій, елементи моделей або горизонтальні перемички, що виступають під великим кутом, аби уникнути провисань вимагають застосування підтримуючих структур, які при фінішній обробці доводиться видаляти. Щоб не робити це вручну, можна застосувати для підтримок матеріал з меншою температурою плавлення, ніж для власне моделі, і потім видалити його розплавленням в спеціальній печі. Інший варіант - використання для підтримок матеріалу, який піддається розчиненню в спеціалізованому розчині, а часом і просто у воді.
Використання фотополімера, як і в стереолітографії, вимагатиме затвердіння ультрафіолетом, тому надрукований шар засвічується УФ-лампою. Віск ж твердне при природному охолодженні. Звичайно, воскові моделі не відрізняються особливою міцністю, але їх дуже легко використовувати при виготовленні форм для лиття.
Як і в звичайному струменевому друці, використання матеріалів різного кольору дозволить створювати за один цикл багатоколірні моделі, а змішування базових кольорів дасть можливість отримувати безліч відтінків. Крім цього, можна поєднувати в одній моделі матеріали з різними властивостями - наприклад, тверді й еластичні.
Перейдемо до прикладів.
Компактний принтер Solidscape 3Z max при власних розмірах 56 × 50 × 42 см і вазі 34 кг дозволяє створювати моделі розмірами до 152 × 152 × 101 мм, забезпечуючи дозвіл 5000 × 5000 dpi (197 × 197 точок / мм) по осях X, Y і 8000 dpi (158 точок / мм) по осі Z. Його ціна близько $ 50 000, але в серії 3Z є й дешевші моделі.
У цих принтерах як раз і використовується віск двох типів: більш тугоплавкий (95-115° С) для власне моделей і легкоплавкий (50-72° С) для підтримуючих структур, які потім видаляються при низьких температурах за допомогою спеціального розчину.
Приблизна вартість: віск для моделей 3Z LabCast - $ 260-270 за 360 г, віск для підтримок $ 200-210 за 230 г. Як бачите, до дуже вже дешевих такі витратні матеріали не віднесеш.
Переваги:
·досяжні дуже мала товщина шару (від 16 мкм) і роздільна здатність побудови поверхні (до 8000 dpi);
·можливість кольорового друку і поєднання матеріалів з різними властивостями;
·принтери можуть бути досить компактними, особливо порівняно з попередніми двома технологіями.
Недоліки:
·для моделей з нависаючими або горизонтально виступаючими елементами потрібні підтримки, які доводиться тим чи іншим способом видаляти;
·обмежений вибір матеріалів для роботи.
Пошарове склеювання плівок (Laminated Object Manufacturing, LOM)
Тонкі листи матеріалу розкроюються лазерним променем або спеціальним лезом, а потім тим чи іншим способом з'єднуються між собою. Для створення 3D-моделей може використовуватися не тільки пластик, але навіть папір, кераміка або метал.
Оскільки різних моделей дуже багато, розглянемо один дуже характерний приклад - кольоровий 3D-принтер Mcor IRIS, продемонстрований компанією Mcor Technologies на виставці SolidWorks World 2013. Він використовує в якості матеріалу звичайні аркуші паперу формату А4 або Letter щільністю 160 г / м², які фарбуються в необхідний колір. Дозвіл друку 5760×1440×508 точок на дюйм, а максимальний розмір створюваних об'єктів становить 256 × 169×150 мм. При цьому забезпечується повноколірний друк з передачею більше мільйона кольорів.
На фото зображений 3D-принтер на підставці; габарити самого принтера 95 × 70 × 80 см, вага 160 кг. У підставці розміром 116 × 72 × 94 см і вагою ще 150 кг ховається кольоровий 2D-принтер.
Створення моделі ведеться в кілька етапів: на першому пачка паперу завантажується в 2D-принтер і на кожному з аркушів у кольорі друкується потрібний шар.
Потім віддруковані листи переносяться оператором в 3D-принтер, де спеціальним лезом на кожному з них робиться проріз по межі нанесеного зображення, а потім листи склеюються між собою. На третьому етапі оператор вручну видаляє зайвий папір, що не містить зображення, що для складних моделей може зайняти чимало часу.
Як ви вже зрозуміли, в процесі роботи виходить досить багато відходів: якщо розмір даного перетину моделі набагато менше А4 або Letter, то інша частина листа піде у кошик; помножте на кількість перетинів і уявіть, скільки паперу буде викинуто.
Моделі виходять дуже вражаючими і досить міцними, а їх собівартість здається мізерною - адже папір дешевий!
Але ж потрібно ще і клей для з'єднання шарів (близько $ 70 за 600 мл), і картриджі з барвниками стандартних кольорів CMYK (близько $ 700 за набір з 4 картриджів по 320 мл або $ 195 за кожен картридж окремо), яких, за оцінкою виробника, вистачає в середньому на 48 моделей. Виходить не так і дешево, а ціна самого апарату вражає ще більше: на Заході згадуються ціни від $ 47600.
Є й природне обмеження на товщину шару, рівну товщині аркуша паперу. Це дуже добре помітно на наступній моделі:
На прикладі Mcor IRIS перерахуємо основні переваги і недоліки, багато з яких притаманні й іншим принтерам, заснованим на технології LOM.
Переваги:
·можливість повноколірного друку з високою роздільною здатністю по 2-х осях;
·доступність і відносна дешевизна головного витратного матеріалу - паперу;
·можна створювати досить великі моделі;
·для моделей з нависаючими або горизонтально виступаючими елементами не вимагається формування підтримуючих структур.
·вкрай обмежений набір матеріалів для створення моделей (в Mcor IRIS - тільки папір), а звідси і обмеження на міцнісні та інші властивості створюваних зразків;
·товщина шару цілком залежить від товщини використовуваного листового матеріалу, через що модель деколи виходить грубою, а механічна обробка для згладжування можлива не завжди, оскільки може призвести до розшарування;
·наявність чималої кількості відходів, причому якщо горизонтальні проекції моделі набагато менше аркуша А4/Letter, то відходів виходить дуже багато; уникнути цього можна одночасним виготовленням декількох невеликих зразків;
·завжди потрібна фінішна обробка, пов'язана з видаленням зайвого матеріалу, вона лише може бути простішою чи складнішою в залежності від властивостей моделі; причому якщо модель має порожнини з обмеженим доступом, то видалити з них зайве може бути просто неможливо.
Якщо вже ми згадали повноколірний друк, який в технології LOM хоч і реалізується, але все ж на основі звичайного 2D-друку, не можна не розповісти і про тривимірний друк з гіпсового композиту.
3D Printing (3DP, 3D-друк)
Як і в SLS, основою для майбутнього об'єкта є порошок (гіпсовий композит), тільки він не спікається, а пошарово склеюється введенням сполучних речовин.
Для побудови чергового шару моделі по всій площі робочого столу валиком наноситься і розрівнюється порошок, в який друкуючою головкою, що нагадує струменев, за формою даного перетину моделі вводиться рідкий клей. До речі: є згадки, що головки розробляються Hewlett-Packard. Потім стіл з уже створеними шарами опускається і процес повторюється потрібну кількість разів, а по закінченні відбувається нагрів для прискорення висихання клею. Після цього зайвий порошок, що залишився незв'язаним, видаляється: в основному автоматично, повертаючись в бункер для подальшої роботи, а зі складно досяжних місць - струменем повітря (станція очищення може бути вбудована в дорогі моделі) або пензлем.
Але в моделі, що надрукувалася залишаються пори - простір між частинками порошку, а поверхня виходить шорсткою. Для додання потрібних властивостей (гладкості, міцності, малої гігроскопічності) її потрібно обробити спеціальним складом-закріплювачем. У його якості може виступати розчин англійської солі (гептагідрат сульфату магнію), віск, парафін, ціанокрилати і епоксидна смола; частина з них можна наносити простим обприскуванням або зануренням, а для інших використовуються спеціальні станції.
Звідки ж береться повноколірний друк, якщо порошок один і той самий? А дуже просто: барвники вводяться в сполучну речовину (клей), і їх змішування дозволяє отримати від 64 до 390 тисяч відтінків. Причому деякі типи закріплювачів дозволяють зробити кольори дуже яскравими.
Такий спосіб використовується в серії ZPrinter, що випускалася компанією ZCorporation, яка в 2011 році була поглинена 3D Systems, після чого серія отримала назву ProJet і дещо інший зовнішній вигляд. У серію входять і кольорові, і монохромні принтери з розмірами робочих камер до 508 × 381 × 229 мм. Товщину шару можна задавати сходами від 0,089 до 0,125 мм, а швидкість роботи може досягати 2700 см³ / год.
Забезпечувана цим апаратом роздільна здатність складає 300 dpi по осі X, 450 dpi по Y і 250 dpi (т.е.0,1 мм) по Z. Друкуюча головка має 304 сопла, а швидкість роботи 870 см³ / год. Оскільки використовується композитний гіпсовий матеріал білого кольору, то і моделі виходять білими; можливості кольорового друку немає. Вісьмикілограмове відро порошку коштує близько $ 1000, а набір 2 × 1 л прозорої сполучної рідини $ 600.
Переваги:
·дозволяє створювати дуже складні моделі без підтримуючих структур;
·можливість повноколірного друку з високою роздільною здатністю.
Недоліки:
·вкрай обмежена кількість матеріалів, придатних для використання;
·в ряді випадків потрібно фінішна обробка, особливо коли не можна миритися з шорсткою поверхнею;
·мала міцність одержаних зразків навіть після обробки закріплювачем.
Тепер переходимо до технології, яка останнім часом стала найбільш поширеною, і розглянемо її найбільш докладно, оскільки в подальших оглядах ми будемо мати справу з принтерами на основі саме цієї технології.
Пошарове наплавленння (Fusing Deposition Modeling, FDM)
Як і у всіх інших розглянутих нами технологіях, модель при FDM-друці створюється пошарово. Для виготовлення чергового шару термопластичний матеріал нагрівається в друкуючій голівці до напіврідкого стану і видавлюється у вигляді нитки через сопло з отвором малого діаметра, осідаючи на поверхні робочого столу (для першого шару) або на попередньому шарі, з'єднуючись з ним. Головка переміщається в горизонтальній площині і поступово "малює" потрібний шар - контури і заповнення між ними, після чого відбувається вертикальне переміщення (найчастіше опусканням столу, але є моделі, в яких підводиться головка) на товщину шару і процес повторюється до тих пір, поки модель не буде побудована повністю.
В якості витратного матеріалу найчастіше використовуються різні пластики, хоча є й моделі, що дозволяють працювати з іншими матеріалами - оловом, сплавами металів з невисокою температурою плавлення і навіть шоколадом.
Мінуси, властиві даній методиці, очевидні:
·невисока швидкість роботи (але, власне, дуже вже високою швидкістю не можуть похвалитися й інші технології: для побудови великих і складних моделей потрібні багато годин і навіть десятки годин);
·невелика роздільна здатність як по горизонталі, так і по вертикалі, що призводить до більш-менш помітної шаруватості поверхні виготовленої моделі;
·проблеми з фіксацією моделі на робочому столі (перший шар повинен прилипнути до поверхні платформи, але так, щоб готову модель можна було зняти); їх намагаються вирішити різними способами - підігрівом робочого столу, нанесенням на нього різних покриттів, проте зовсім і завжди уникнути не виходить;
·для нависаючих елементів потрібне створення підтримуючих структур, які згодом доводиться видаляти, але навіть з урахуванням цього деякі моделі просто неможливо зробити на FDM-принтері за один цикл, і доводиться розбивати їх на деталі з подальшим з'єднанням склеюванням або іншим способом.
Таким чином, для дуже багатьох зразків, виготовлених за технологією FDM, буде потрібна більш-менш складна фінішна обробка, яку складно або неможливо механізувати, тому в основному вона проводиться вручну.
Є й менш очевидні недоліки, наприклад, залежність міцності від напрямку, в якому прикладається зусилля. Так, можна зробити зразок досить міцним на стиск в напрямку, перпендикулярному розташуванню шарів, але от на скручування він буде набагато менш міцним: можливий розрив по межі шарів.
Інший момент в тій чи іншій мірі властивий будь-якій технології, пов'язаної з нагріванням: це термоусадка, яка призводить до зміни розмірів зразка після охолодження. Звичайно, тут багато залежить від властивостей використовуваного матеріалу, але часом не можна примиритися навіть зі змінами в кілька десятих часток відсотка.
Далі: технологія може здатися безвідходною тільки на перший погляд. І мова не тільки про підтримуючі структури в складних моделях, чимало пластика йде у відходи навіть у досвідченого оператора при підборі оптимального для конкретної моделі режиму друку.
Чому ж при такій кількості проблем ця технологія зараз стала настільки популярною?
Головна і визначальна причина - ціна як на самі принтери, так і на витратні матеріали до них. Першим важливим поштовхом у процесі просування FDM-принтерів "в маси" стало витікання в 2009 році терміну дії патентів, внаслідок чого за п'ять років ціни на такі принтери знизилися більш ніж на порядок, а якщо розглянути крайності (найдорожчі до 2009 року і найдешевші сьогодні), то і на два порядки: ціна на найдешевші принтери китайського виробництва сьогодні становить всього 300-400 доларів - правда, швидше за все покупець в них моментально розчарується. Більш пристойні принтери початкового рівня зараз мають ціну вже ближче до $ 1200-1500.
Другим важливим чинником стала поява проекту RepRap, або Replicating Rapid Prototyper - самовідстворюваний механізм швидкого прототипування. Самовідтворення стосується виготовлення на вже зроблених у принтері частин для іншого подібного принтера - звичайно, не всіх, а лише тих, які можна створити в рамках даної технології, все інше доводиться купувати. І воно не було самоціллю проекту: головним завданням стало створення максимально дешевих моделей принтерів, доступних навіть приватним ентузіастам, не обтяженим надлишком грошей, але бажаючим спробувати свої сили в 3D-друці. Більш того, самовідтворюваними (деякої помітної частини всіх деталей) були і є далеко не всі прототипи, створені в рамках RepRap.
Звичайно, створювані таким чином принтери найчастіше далекі від досконалості навіть у рамках технології FDM, але вони дозволяють з мінімальними фінансовими витратами створити цілком працездатний апарат. Потрібно відзначити: сьогодні зовсім не обов'язково шукати господаря принтера, щоб надрукувати можливі деталі, і бігати по магазинах у пошуках решти; пропонуються повні набори для самостійної збірки принтера, так звані DIY kits (від "Do It Yourself" - зроби це сам), які дозволяють і помітно заощадити, і уникнути зайвої біганини і клопоту, та до того ж містять докладні інструкції по збірці. Але є простір і для тих, хто не хоче замикатися в рамки готових конструкцій і бажає внести в них щось своє: є маса пропозицій по будь-яким окремим комплектуючим для подібних принтерів.
Ще одна позитивна сторона розвитку проекту RepRap - поява і вдосконалення різного програмного забезпечення для роботи з подібними 3D-принтерами, причому розповсюджуваного вільно. У цьому важлива відмінність від апаратів, що випускаються іменитими виробниками, які працюють тільки з власним ПЗ.
В принципі, проект не замикається на технології FDM, але поки саме вона є найбільш доступною, так само як найбільш доступним матеріалом є пластикова нитка, яка і використовується в переважній більшості принтерів, створюваних на базі розробок RepRap.
Широке поширення FDM-принтерів призвело до збільшення попиту на витратні матеріали до них; пропозиція не могла не піти за попитом, і відбулося те ж саме, що і з самими принтерами: ціни впали. Якщо на старих інтернет-сторінках, присвячених FDM-технологіям, зустрічаються згадки цін на рівні 2-3 і навіть більше сотень євро за кілограм пластикової нитки, то зараз всюди йдеться про десятки євро, і лише на нові матеріали з незвичайними властивостями ціна може досягати сотні доларів або євро за кілограм. Правда, якщо раніше продавалися в основному "фірмові" матеріали, то тепер часто пропонується нитка незрозумілого походження і невизначеної якості, але це неминуче провокує популярність.
Крім ціни, у FDM-принтерів є інші переваги, пов'язані з можливостями технології. Так, дуже легко спорядити принтер іншою друкуючою головкою, яка може подавати нитку з матеріалу, що легко видаляється для створення підтримок в складних моделях. Якщо внести барвник при виготовленні пластикової нитки, можна отримувати різні, дуже яскраві кольори.
Та й сам матеріал нитки може мати найрізноманітніші властивості, тому розглянемо коротко найбільш поширені типи.
Пластикова нитка може бути двох стандартних діаметрів: 1,75 і 3 мм. Природно, вони не взаємозамінні, і вибір потрібного діаметру слід уточнювати за специфікацією принтера. Подається пластик на котушках і вимірюється не довжиною, а вагою. Для FDM-принтерів деяких виробників (наприклад, CubeX від 3D Systems) потрібно купувати не котушки, а спеціальні картриджі з ниткою, які в перерахунку на кілограм обходяться помітно дорожче, але виробник гарантує якість матеріалу - словом, все точно так, як у звичайних принтерах: "оригінальний" і "сумісний" розхід.
Для кожного типу матеріалу повинні бути відомі робоча температура, до якої повинен нагріватися матеріал в друкуючій голівці, і температура підігріву робочого столу (платформи) для кращого прилипання першого шару. Ці величини не завжди однакові для будь-якого зразка нитки, зробленої з матеріалу одного типу, тому ми вказуємо приблизний діапазон; по ідеї, оптимальні температури повинні вказуватися на етикетці котушки або в супровідному документі, але це відбувається далеко не завжди, і часто їх доводиться підбирати експериментально.
Основними матеріалами для FDM-принтерів є пластики ABS і PLA.
ABS (Акрилонітрилбутадієнстирол, АБС) - це ударостійка технічна термопластична смола на основі обєднання полімерів акрилонітрилу з бутадієном і стиролом. Сировиною для його виробництва є нафта. Цей пластик непрозорий, легко забарвлюється в різні кольори.
Переваги ABS:
·довговічність,
·ударостійкість і відносна еластичність,
·нетоксичність,
·волого-і олієстійкість,
·стійкість до лугів і кислот,
·широкий діапазон експлуатаційних температур: від - 40° С до +90° С, у модифікованих марок до 103-113° С.
До переваг слід віднести невисоку вартість, розчинність в ацетоні (що дозволяє не тільки склеювати деталі з ABS, але також згладжувати за допомогою ацетону нерівну поверхню). ABS більш жорсткий, ніж PLA, і тому зберігає форму при великих навантаженнях.
З недоліків треба згадати такі:
·несумісність з харчовими продуктами, особливо гарячими, оскільки за певних умов (високій температурі) може виділяти ціаногідрит,
·нестійкість до ультрафіолетового випромінювання (не любить прямих сонячних променів),
·термоусадка помітно більша, ніж у PLA,
·більш крихкий, ніж PLA.
Робоча температура вище, ніж у PLA, і знаходиться в діапазоні 210-270° С. При роботі з ниткою ABS відчувається слабкий запах. Крім того, для кращого прилипання першого шару моделі до робочого столу потрібен підігрів столу приблизно до 110 градусів.
Про ціну: зустрічаються згадки $30-40 за кілограмову котушку.
PLA (полілактид, ПЛА) - біорозкладаний, біосумісний поліефір, мономером якого є молочна кислота. Сировиною для виробництва служать поновлювані ресурси - наприклад, кукурудза або цукровий очерет, тому матеріал є нетоксичним і може застосовуватися для виробництва екологічно чистої упаковки і одноразового посуду, а також у медицині та в засобах особистої гігієни.
Відразу відзначимо: біорозкладність зовсім не синонім крайній недовговічності, вироби з PLA цілком життєздатні.
Переваги:
·низький коефіцієнт тертя, який робить його придатним для виготовлення підшипників ковзання,
·мала термоусадка, особливо в порівнянні з ABS,
·менш крихкий і більш в'язкий, ніж ABS: при однакових навантаженнях швидше зігнеться, ніж зламається.
Робоча температура нижче, ніж у ABS: близько 180-190° С. Підігрів робочого стола не є обов'язковим, але бажано все ж нагрівати стіл до 50-60° С.
Недоліки: один з них ми вже згадали - меншу, ніж у ABS, довговічність. Крім того, PLA більш гігроскопічний, і навіть при зберіганні вимагає дотримання режиму вологості, інакше може початися розшарування матеріалу і поява в ньому бульбашок, що призведе до дефектів при виготовленні моделі. До того ж PLA найчастіше трохи дорожче ABS, хоча ціна сильно залежить від виробника і продавця.
Ацетон практично не робить впливу на PLA, його доводиться склеювати і обробляти діхлоретаном, хлороформом або іншими хлорованими вуглеводнями, що вимагає підвищених заходів безпеки при роботі (але, звичайно, і ацетон в цьому плані не подарунок).
Інші матеріали для FDM-друку поширені набагато менше.
Робоча температура близько 230° С, ціна на 30-50% вище, ніж у ABS.
Нейлон легкий, гнучкий, стійкий до хімічного впливу. Деталі з нього володіють дуже низьким поверхневим тертям.
Робоча температура вище, ніж у PLA: близько 240-250° С. Правда, при цьому не виділяється парів або запахів. Вартість нейлонової нитки в два рази більше, ніж PLA або ABS.
PC (Polycarbonate, полікарбонат) - досить твердий полімер, який зберігає свої властивості в діапазоні температур від - 40° С до 120° С. Володіє високим світлопропусканням і часто використовується як замінник скла, а оскільки ще має меншу питому масу і більш високий коефіцієнт заломлення, то прекрасно підходить для виробництва лінз. Повна біологічна інертність дозволяє робити з нього навіть контактні лінзи. Крім того, з нього виготовляють компакт-диски.
Температура друку 260-300° С. У вигляді нитки для FDM-друку поки випускається мало, тому ціна втричі вище, ніж у ABS.
Схожими оптичними властивостями володіє PETT (Polyethylene terephthalate, поліетилентерефталат). Моделі з нього виходять дуже міцними, оскільки шари розплавленого матеріалу відмінно склеюються. Робоча температура 210-225° С, стіл бажано підігріти до 50-80° С. Ціна близько $65-75 за кілограм.
Під абревіатурою PVA (ПВА) можуть ховатися два типи матеріалу: полівінілацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) і полівініловий спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). За хімічною формулою вони досить схожі, тільки в полівінілового спирту відсутні ацетатні групи, і властивості їх теж збігаються - багато в чому, але не в усьому. На жаль, продавці часто вказують просто "PVA (ПВА)", не роблячи відмінностей, тому ми можемо привести тільки узагальнену приблизну ціну: $65-75 за кілограм нитки.
Полівініловий спирт PVAl вимагає робочої температури близько 180-200° С, подальше її підвищення небажане - може початися піроліз (термічне розкладання). Крім того, матеріал дуже гігроскопічний, він активно поглинає вологу з повітря, що створює проблеми і при зберіганні, і при друці, особливо якщо діаметр нитки 1,75 мм. З іншого боку, ця ж властивість є дуже корисною: підтримки, зроблені з PVAl, розчиняються в холодній воді.
Полівінілацетат PVAc всім добре відомий як складова частина клею ПВА, що представляє собою водну емульсію цієї речовини. Для нього потрібно небагато більш низька робоча температура: 160-170 градусів. Він також добре розчиняється у воді.
Весь час з'являються нові матеріали з оригінальними властивостями. Правда, ціна на них в перший час може бути дуже високою.
Наприклад, еластомер NinjaFlex дозволяє створювати еластичні вироби. Ціна близько $110-120 за кілограм, робоча температура 210-225° С, температура столу може бути кімнатної або злегка підвищеною, до 35-40° С.
Нещодавно з'явився матеріал Laywoo-D3 цікавий насамперед тим, що вироби з нього за фактурою нагадують дерево і навіть пахнуть, як дерев'яні. Справа в тому, що його якраз і роблять на основі дрібних частинок дерева і сполучного полімеру. Робочі температури можуть бути в діапазоні 175-250° С, підігрів столу не потрібно. Причому колір після застигання буде залежати від обраної температури: чим вона вища, тим темніше. Змінюючи температуру під час друку, можна навіть отримати подібність річних кілець, як на натуральному дереві. Звичайно, і ціна на цей матеріал чимала - близько $150 за кілограм.
Інший екзотичний матеріал, Laybrick, містить мінеральні наповнювачі та дозволяє імітувати вироби з пісковика. Робоча температура знаходиться в межах 165-210° С; на цей раз з підвищенням температури можна отримати більш грубу поверхню для посилення ефекту імітації. Він також не вимагає підігріву столу, але по закінченні друку слід почекати кілька годин, щоб модель остаточно затверділа, і лише потім знімати її. Ціна ті ж $150 за кілограм.
Звичайно, всі зазначені вище ціни є лише орієнтиром: вони можуть змінюватися як з плином часу, так і від продавця до продавця, особливо якщо купувати не в Україні, а замовляти за кордоном.
Застосування технології 3-D друку
Найпопулярніші сфери, де використовують 3D-друк - це:
Освіта
Використання технології 3D друку в освіті дозволяє отримати наочні посібники, які відмінно підходять для навчальних кімнат будь-яких українських освітніх закладів, починаючи від дитячих садків і закінчуючи вузами.
Українські 3D принтери відмінно підходять для класних кімнат, оскільки мають підвищену надійність, не виділяють під час друку шкідливих для здоровя продуктів, не предявляють особливих вимог до утилізації, не містять ріжучих і бритвених матеріалів, не мають лазерів. Передбачається, що оснащення освітніх установ конструкторських або дизайнерських спеціальностей 3D принтерами посприяє підвищенню ефективності освітнього процесу та швидкому засвоєнню знань учнями і студентами.
У школі 3D принтер допоможе розвинути творчі навички та прищепити дитині потяг до знань.
Медицина
Використання 3D принтерів в медицині просто незамінне. Такі принтери можуть відтворити точну копію людського скелета для відпрацювання прийомів, які гарантують проведення успішної операції. Також 3D принтери використовують в стоматології та протезуванні. Якісний 3D друк дозволяє отримати протези і коронки значно точніше і швидше класичної технології виробництва.
Вже неодноразово 3D друк застосовувалася в протезуванні людей і тварин. Ви можете зустріти в пресі успішні експерименти по 3D друку кісток, суглобів або навіть елементів обличчя.
Медики так само розробили і надрукували на 3D принтері спеціальний пластиковий екзоскелет, який допомагає хворим дітям жити повноцінним життям. Собівартість таких протезів виходить мінімальною. Протез надрукований на 3D принтері коштує в десятки тисяч разів менше ніж спеціалізований фірмовий медичний протез.
Не зупиняючись на досягнутому, медики навчилися друкувати "заплатки" для пошкодженої людської шкіри. Як матеріали для друку використовується спеціальний гель з клітин донора. За словами вчених, для друку шкіри може бути використаний навіть самий звичайний офісний принтер, трохи модернізований під поставлене завдання.
У 2011 році вчені зуміли відтворити живу людську нирку. Для цього 3D принтеру треба було всього лише 3 години.
Будівництво
На даний момент вже створено декілька інженерних 3D принтерів для використання в сфері будівництва. Система працює за принципом будівельного крана, який зводить стіни з шарів бетону. Такий 3D принтер може звести двоповерховий будинок всього лише за 20 годин.
Робочим залишиться тільки встановити вікна, двері і провести внутрішню обробку приміщення.
Голландські архітектори запропонували надрукувати за допомогою будівельного 3D принтера унікальний будинок у формі стрічки Мебіуса. "Друк" будинку був запланований на 2014 рік.
Діючі зразки будівельних 3D принтерів Вже представили американські, китайські і навіть російські інженери.
Цілком можливо, що через кілька десятків років виростуть цілі селища з прекрасними комфортними будинками, побудованими за технологією 3D друку.
Навіть зараз найпростіші FDM 3D принтери можуть прийти на допомогу будь-якому будівельнику.3D принтер дозволяє виготовити функціонально міцну конструкцію або кріплення.3D друк економить багато часу на пошук необхідних елементів та грошей на виготовлення екслюзивних деталей.
Прототипування
Використання 3D друку для функціонального тестування (прототипування) - це один з основних сучасних методів інноваційних розробок. Перед випуском серійного продукту інженерам завжди доводиться виготовити кілька передсерійних зразків для бета тестування і доведення виробу до ідеалу.
3D друк дозволяє отримати передсерійний зразок який майже нічим не поступається за характеристиками оригіналу.
У більшості випадків потрібно протестувати новий механізм в зборі, але виготовити окремі компоненти в одному примірнику занадто довго, дорого і вельми проблематично. На допомогу приходять українські 3D принтери.
Дрібносерійне виробництво
Українські 3D принтери поступово відвойовують свої позиції у сфері дрібносерійного виробництва.
І це виправдано, оскільки процес запуску деталі у виробництво скорочується з декількох місяців до декількох годин.
Найчастіше дану технологію друку використовують для виготовлення ексклюзивних виробів, наприклад предметів мистецтва, фігурок персонажів для учасників рольових інтернет-ігор, прототипів і концептуальних моделей майбутніх споживчих товарів або їх конструктивних деталей.
Такі моделі використовуються як в експериментальних цілях, так і для презентацій нових товарів.
Ювелірні вироби
Поява 3D-принтерів стала справжньою революцією не тільки в промисловості, але і в ювелірному мистецтві. Зараз майстри художніх композицій реалізують свої ідеї на новому рівні. Більшість людей можуть і не уявляти собі, що за пристрій являє собою ювелірний 3D принтер (SLA 3D-принтер), але в той же час десятки і навіть сотні з них вже зараз володіють роздрукованими прикрасами. Ювелірний 3D-принтер створює воскові моделі майбутнього виробу.
Крім прямого друку виробів, принтер можна використовувати для виготовлювача прес-форм і подальшої виливки.
Також ювелірні 3D принтери завдяки застосуванню високоякісної смоли можуть створювати міцні промислові вироби, які можна застосовувати в побуті та виробництві.
Сучасні фотополімерні смоли прекрасно підходять для повсякденного 3D друку.
Єдине обмеження - обмежена область друку.
Точність SLA 3D принтерів складає 30-50 мікрон, що на порядок вище ніж у звичайних 3D принтерів.
Іграшки та сувеніри
Використання 3D принтерів для створення унікальних іграшок і сувенірів вже ні в кого не викликає подиву. Тепер легко отримати готовий прототип перед запуском виробу в масове виробництво. Аналіз прототипу дозволяє вивчити текстуру майбутнього виробу, його форму, розмір і колір.
Друкуйте популярних мультиплікаційних персонажів і відкривайте новий напрямок бізнесу.
Подаруйте своїм дітям нові розваги. Тепер не потрібно витрачати багато грошей на купівлю іграшок.
Скільки б ви не подарували дитині, іграшок їй завжди буде мало.
На сьогодні технології дозволяють просто завантажити модель і роздрукувати її. Також можна залучати дитину до 3D редакторів і вона зможе створювати собі іграшки сама, що сприятиме розвитку її фантазії.
Мода
3D Принтери з технологією поступово освоюють сферу виробництва одягу, і в першу чергу - виробництво моделей для високої моди.
Не так давно модельєр Айріс Ван Херпен представила колекцію "Напруга", всі моделі якої були створені за допомогою 3D друку. Колекція була представлена на Тижні високої моди в Парижі.
Технологія 3D друку дозволяє використовувати для виготовлення одного предмета одягу кілька різних матеріалів. Такий підхід дозволяє вирішити проблеми, повязані з міцністю і еластичністю виготовлених речей.
Одяг, надрукований 3D принтером, поки можна побачити тільки на показах мод. Але не залишається сумнівів, що впровадження подібних виробів в масове виробництво є лише питанням часу. Можливо, в найближчому майбутньому ми зможемо не виходячи з дому надрукувати собі нову сорочку, вечірнє плаття або навіть шубу необхідного кольору і розміру.
Перша пара взуття, надрукована на 3D принтері, зявилася в 2011 році завдяки старанням шведських студентів.
Сьогодні тривимірне взуття, надруковане на 3D принтерах вже не диковинка. Модельери активно використовують 3D принтери для власних розробок. Істотною перевагою такого взуття є точне врахування індивідуальних особливостей його власника, включаючи розмір і форму стопи.
Зовнішній вигляд 3D взуття істотно відрізняється від традиційної, тому воно буде користуватися попитом серед креативних молодих людей, які хочуть підкреслити свою індивідуальність.
D принтери навчилися друкувати не тільки жіночу, але й чоловічу взуття. Студент Лондонського коледжу моди Росс Бербер у своїй дебютній колекції представив пять пар взуття, надрукованих на принтері.
Крім того 3D взуття активно освоїв Голівуд.90% взуття та аксесуарів для фантастичних фільмів друкується на 3D принтерах.
Мистецтво
Впевнено можна сказати, що із застосуванням 3D-технологій сучасне мистецтво переживає новий етап у своєму розвитку. Твори мистецтва, надруковані на 3D-принтері можна знайти в передових галереях світу. Тривимірний принтер став знахідкою, як для представників різних видів мистецтва, так і для його шанувальників.
Художники і скульптори долають колишні межі і шукають нові форми для вираження своєї фантазії.3D-принтер може точно передати відтінки, структуру і навіть форму і стиль мазка.
Крім того, 3D принтери активно використовуються для створення дизайн-моделей. Виготовлення дизайн-моделі (макету), на відміну від прототипу, передбачає створення зменшеної копії майбутнього виробу. Як правило, основне завдання такої моделі - передати зовнішній вигляд обєкта, підкреслити особливості його оформлення. Дизайн-моделі допомагають продемонструвати і наочно показати особливості вашого рішення. Така можливість необхідна практично в будь-якій галузі. Одне з найефективніших застосувань макетів і дизайн-моделей - використання їх у навчальних цілях.
Сучасне програмне забезпечення для роботи з 3-D принтерами
D systems вельми якісно дбають про своїх клієнтів. Для принтерів Cube і CubeX розроблена ціла колекція спеціалізованого ПЗ, починаючи від програм для розробки 3D моделей, сканування 3D об'єктів, закінчуючи фінішною обробкою STL моделей і виведення файлів на друк. Їх програмне забезпечення дуже різноманітне. Достатньо лише зайти на сайт cubify і завантажити те, програмне забезпечення, яке Вам більше підходить. Тут Ви знайдете програми для професіоналів і новачків, для Windows, Mac або iOS. Не хочете встановлювати? Реєструйтеся на сайті і працюйте з web додатком.
Перше, що потрібно для 3D друку - це створити тривимірний об'єкт і зберегти його в STL файлі.
Найпростіше відсканувати вже існуючий об'єкт. І тут у Вас є 3 варіанти:
) у Вас є 3D сканер - тоді використовуйте ПЗ, яке йшло в комплекті.
) у Вас є кінект - в цьому випадку, вибір ПО величезний, цілий ряд платних і безкоштовних програм для створення тривимірних сканів на базі ігрового контролера.
) у Вас немає ні першого, ні другого, але тривимірну модель все одно отримати хочеться. - Скористайтеся фотоапаратом і програмою Autodesk 123D Catch.
Якщо ж Вам потрібно створити на 3D принтері щось нове, а не створити копію існуючого, то спочатку Вам необхідно намалювати повноцінну тривимірну модель.
Тепер ми переходимо до огляду 3D редакторів.
Існує безліч різних 3D редакторів. Найпопулярніший з них, це - Autodesk 3Ds Max. Програма надзвичайно функціональна, в ній Ви можете намалювати все що завгодно. Нею користуються дизайнери та інженери по всьому світу. Програма складна в освоєнні, але у неї є дві значних переваги:
·в Інтернеті існує величезна кількість безкоштовних уроків і спільнот. Можна знайти потрібний урок і без тривалого навчання навчитися створювати будь-який предмет.
·існує безкоштовна ліцензія для 3Dс Max. Будь-який студент може скористатися нею і почати будувати свої тривимірні об'єкти.
Але є у програми і ложка дьогтю.3Ds Max - це програма поверхневого моделювання, вона створює порожнисті об'єкти, які не придатні для 3D друку. Якщо з якоїсь причини у Вашому об'єкті утворюється хоч один маленький отвір, то вся модель зруйнується при побудові 3D принтером.
SolidWorks. Це твердотільна альтернатива 3Ds Max. SolidWorks створює спочатку заповнені всередині 3D об'єкти. Ще один плюс, програма спочатку створена для високоточного моделювання. За допомогою неї Ви можете оцифровувати двомірні креслення. Для роботи з програмою бажано мати базові знання про креслення і нарисної геометрії. Безкоштовні уроки по SolidWorks так само можна знайти на Youtube.
Autodesk 123D Design. Ще один подарунок від компанії Autodesk. Ми рекомендуємо якомога ретельніше придивитися до серії безкоштовних програм 123D. Не дивлячись на альтруїстичні початки, програми вийшли вкрай цікавими. Хороший функціонал, зручний не переобтяжений інтерфейс, безкоштовні хмарні технології. До речі, останнє має і зворотний бік медалі, через ті самі хмарні технології програми нерідко гальмують, принаймні в Україні. Що вдієш, пріоритет для англомовного співтовариства.123D Design - це кращий тривимірний редактор для новачків. Він простий і зручний в освоєнні. Головний недолік - відсутність уроків і спільнот. Якщо Ви застрягнете на якійсь стадії, то запитати не буде у кого.
Як альтернативу редактору - можна використовувати один з трьох Online 3D редакторів:
D Design - найбільш функціональний онлайн редактор на планеті.
DTin - красивий і зручний 3D редактор з підтримкою російської мови.
Thinkecard - даний 3D редактор був спочатку побудований з прицілом на дитячу групу. Цим пояснюється його "мультиплікаційна" стилізація і добірка готових об'єктів. Однією з переваг є той факт, що він суміщений з галереєю 3D об'єктів, тому відразу після закінчення створення файлу Ви можете поділиться ним зі своїми друзями або всім світом, а ті в свою чергу можуть створити копію будь-якого відкритого проекту і приступити до його доопрацювання. Так само відмінною рисою проекту є той факт, що готові файли можна легко і зручно переносити в популярну дитячу гру MineCraft.
Макет готовий, але виводити на друк його поки ще рано.
Для початку слід переконатися, що Ваш об'єкт поміщається в робочу зону Вашого 3D принтера. А що робити якщо Вам потрібно створити дуже великий об'єкт? Ну, скажімо, кілька метрів у висоту. Чи не реально?
Ні, навпаки. Тут, нас знову виручає Autodesk. Безкоштовне ПЗ 123D Make дозволяє "розрізати" деталь на кілька елементів, які після роздруку можна буде легко зєднати.
Так само, перед відсиланням STL файлу на 3D друк не завадить цей файл перевірити і підготувати. Для цього компанія Autodesk розробила спеціальне ПЗ "прошарок" між 3D редактором і програмою для тривимірного друку. Ця програма називається AutoDesk 3D Print Utility. Програма носить факультативний характер, але іноді просто не замінна, особливо в ситуації, коли Ви випадково зробили помилку в макеті. Програма здатна це виправити. Ще програма вміє прораховувати і візуалізувати матеріал підтримки, що теж важливо перевірити перед початком друку.
3D друк STL макету
Більшість 3D принтерів не працює напряму з тривимірними макетами. Щоб відправити файл на друк, Вам необхідно спочатку перетворити STL файл в зрозумілий для 3D принтера формат. Як правило, необхідне ПЗ йде в комплекті з 3D принтером. Так, наприклад, принтери Ultimaker і Reprap комплектуються ПЗ Cura, а MakerBot - MakerWare і ReplicatorG.
Cura - безкоштовно поширюване програмне забезпечення з широким вибором налаштувань і плагінів. За допомогою Cura можна динамічно змінювати температуру під час друку, або скажімо надрукувати деревні кільця при друку пластиком Laywoo-D3, а також багато іншого. Прорахунок моделі відбувається украй швидко, "на льоту", пов'язано це з тим, що в ПЗ застосований власний високошвидкісний слайсер.
В цілому, Cura - це дуже універсальне, крос платформне ПЗ, яке на даний момент майже не має конкурентів по якості, швидкості і простоті настроювання.
MakerWare - ПЗ для принтерів MakerBot. Програма дуже проста і зручна. Тут Ви знайдете мінімум налаштувань, але те, що знайдете працює добре. Великим плюсом програми є те, що розробники залишили сумісність зі своїми старими 3D принтерами - Replicator Dual, а значить і з усіма китайськими аналогами цього приголомшливого принтера.