3D принтер – устройство для создания 3D модели детали на основании созданной при помощи специальных программ по технологии быстрого прототипирования. В современном инструментальном производстве данная технология нашла широкое применение. Часто для получения 3D модели используют 3D сканирование.

Впервые такая технология была разработана в середине 1980-х годов инженером Чарльзом Халлу, и сразу же получила название – «стереолитография». Он же впоследствии основал компанию, занимающейся производством стереолитографических машин.

О работе 3d принтера

Принцип действия 3D принтера относительно прост. Исходная 3d модель объекта делится специальным ПО на множество поперечных слоёв (slices), и затем при помощи ультрафиолетового лазера происходит «спекание» слоя. Слои создаются из особого материала, полимезирующегося (твердеющего) при воздействии на него ультрафиолетового лазера. Сам процесс происходит на специальной платформе, которая после формирования каждого слоя погружается на высоту одного слоя, и лазер принимается за спекание следующего слоя.

Хотя такие 3D принтеры, или точнее, стереолитографические аппараты (SLA), позволяют создавать достаточно крупные модели (до 75см в высоту) с высокой точность (толщина слоя в пределах 0,025–0,05мм), но в тоже время они медлительны (скорость работы не превышает нескольких миллиметров в час), громоздки и дорогостоящи. И это только сам аппарат – а если добавить к нему стоимость расходных материалов, цена становится совсем «кусачей».

Поэтому очевидно, что с появлением технологии создания моделей на 3D принтерах немедленно начались работы по ее совершенствованию, особенно в плане удешевления. Так возникли технологии Solid Ground Curing («запекание сплошной поверхностью») и Fused Deposition Modelling. Вторая из них напоминает привычную нам печать на струйном принтере: на поддерживающую платформу через специальное сопло подаётся тонкая нить разогретого термопластичного материала, который наносится вертикальными слоями с постепенным получением объёмной фигуры. Материал твердеет практически сразу.

Технология 3d печати FDM

FDM технология создания моделей на 3D принтерах имеет новую, по сравнению с SLA возможность:  получать разноцветные прототипы. Но в то же время уступает ей в точности: минимальная толщина слоя у FDM-машин составляет 0,12-0,17мм.

Несмотря на это, в 2006 году Forbes назвал FDM технологию наиболее популярным методом 3D печати, так как стоимость таких 3D принтеров и расходных материалов к ним существенно ниже, и продолжает снижаться.

Технология 3d печати фотополимером

Ещё один вариант 3D печати по типу «струйный принтер» – разработанная израильской фирмой Objet Geometries технология Polyjet.

Принцип работы аналогичен технологии FDM, но в качестве расходного материала используется жидкий фотополимер, который послойно наносится на поддерживающую поверхность, а затем сразу же «закрепляется» ультрафиолетовым светом. 3D принтеры Polyjet Eden могут печатать с точностью, определяемой минимальной толщиной слоя в 16мкм (0,016мм) со скоростью около 20 мм/час. Но и это не предел. Вскоре Objet Geometries разработали еще более совещенную технологию – Polyjet Matrix, где при печати используются два различных фотополимера в заранее заданной комбинации. Например, два разных твердых материала, два эластичных и любую комбинацию с прозрачным материалом. Таким образом, технический прототип получаемый на таком 3D принтере может иметь ту же фактуру, которая должна быть у конечной продукции.

Продолжая эстафету совершенствования 3D печати Массачусетский технологический институт разработал, а компания Z Corporation вывела на рынок технологию полноцветной печати. Суть ее заключается в склеивании порошка твердого материала, например гипса, целлюлозы, керамики, крахмала и т.д. – с компаундом, выдавливаемым из печатающей головки. Толщина слоя при этом получается около 0,1мм, а скорость работы — до 50 мм/час, что существенно выше, чем в предыдущих технологиях. Хотя получающиеся модели требуют дополнительной обработки закрепляющим составом или гибкими полимерами, но зато это уже полноцветная трехмерная печать.

Не нужно особо богатого воображения, чтобы понять, насколько широкое применение могут найти (и находят) 3D-принтеры. Наиболее развитая область — быстрое прототипирование (или, точнее, быстрое создание прототипов — rapid prototyping). 3D-принтеры используются как подспорье в конструкторской работе в авиационной, машиностроительной и автомобильной промышленности, в медицине (для моделирования протезов или органов) и даже в ювелирной отрасли. Естественно, скульпторы и художники тоже к ним присматриваются, и чем дальше, тем активнее.

Возможные дефекты 3d печати и их решения

Дефект 1. Возникает обычно при неправильной калибровке и позиционировании стекла (обычно самое популярное основание у 3d принтеров). От данного дефекта достаточно просто и безболезненно можно избавиться несколькими способами.

Первый и самый очевидный способ: откалибровать основание печати 3d принтера. Обычно достигается за счёт подкручивания креплений, подвижных гаек или шестигранников по краям основания платформы. Для удобства можно подвести экструдер и установить сопло на уровень платформы, затем двигать экструдер в другую часть платформы и калибровать платформу по уровню сопла. Так вы сможете установить все части платформы на один уровень сопла. При настройке принтеров с технологией 3d печати FDM соблюдайте рекомендации производителя по отступу платформы от сопла. Обычно при диаметре сопла 0.3 мм отступ составляет 0.1 мм, при данном отступе экструзия при 3d печати будет наиболее правильная, за счёт чего слои 3d печати будут эстетически красивыми и прочными.

Второй способ: возможно проблема не в калибровке основания, а в адгезионных свойствах платформы. Для хорошей адгезии обычно используют различные материалы для платформы: лак, скотч, полотно для 3d печати. В зависимости от платформы и типа печатаемого материала выбирают и адгезионный материал. В нашем данном случае ситуация с отклеиванием материала произошла по причини малого количества лака на платформе. Необходимо обновить слой лака.

Дефект 2. Популярный дефект 3d печати, который возникает наверное в 95% случаев печати не только у любителей, но и у студий 3д печати. Избавиться в большинстве случаев можно только сменой слайсера и перехода к профессиональному софту, где есть возможность регулирования слоев 3d печати отдельно по высоте изделий, или регулированию последнего слоя 3d печати, или регулирования слоя перед построением поддержек. В типовой ситуации перед построением основного тела модели 3d принтер делает отступ в один слой между поддержкой и телом печати – это сделано для упрощения удаления материала поддержки после процесса выращивания модели.
Так вот, данный дефект возникает тогда, когда толщина слоя равна толщине отступа между поддержкой и основным изделием. Избавиться от него можно изменением данного отступа. Сделайте отступ к коэффициентом 0.5 от толщины слоя и первый слой основного изделия после поддержки будет прочным и эстетически красивым. Возможно данный коэффициент нужно будет достигать эмпирически и у кого-то он будет 0.3, у кого-то 0.7.