25 самых популярных материалов для 3d печати

Polyjet

Основой этой технологии является следующий принцип: при помощи маленьких сопел фотополимер наносится на какую-либо поверхность и сразу полимеризуется под воздействием УФ излучения. Данная технология печати была разработана израильской компанией Objet в 2000 году, однако теперь она принадлежит компании Stratasys. Отличительными особенностями этого вида 3d принтера является то, что можно использовать широкий диапазон материалов (фотополимерный пластик разного состава, цвета и плотности), использовать небольшую толщину слоя (до 16 микрон — подходит для создания мелких и гладких деталей) и относительно быстро печатать за счет использования жидких материалов. Polyjet — это единственная технология, по крайней мере сегодня, которая позволяет комбинировать сразу несколько материалов в одном прототипе! Но есть и недостатки, главным из которых является тот факт, что можно печатать только с использованием фотополимерного пластика (как правило, фотополимерные пластики очень дорогие). Применяется технология Polyjet в основном в промышленности, медицине и образовании, хотя на сегодняшний день есть и бытовые модели 3d принтеров для различных целей.

Какой 3D-принтер лучше выбрать для бытового использования?

Забегая наперед, отметим, что пока стоимость бытовых 3D-принтеров остается относительно высокой, но в дальнейшем имеем все шансы наблюдать удешевление технологии. Вспомните, когда появились мобильные телефоны, они также были доступны только очень богатым людям.

Цели использования домашнего 3Д-принтера могут быть совершенно любыми: от простого баловства и знакомства с новой технологии до печати полезных в хозяйстве мелочей и моделей-прототипов для бизнеса

В любом случае, при выборе обращайте внимание на такие ключевые характеристики устройства:

• разрешение печати (точность печати) – это минимально возможная высота слоя, которую может напечатать принтер. Обозначают разрешение в микрометрах (тысячная доля миллиметра). Чем меньше высота слоя, тем менее заметным будет переход между ними, и тем более гладкой будет поверхность печатаемого объекта. С другой стороны, чем меньше слой, тем больше времени принтеру понадобится на печать и тем выше нагрузка на все его элементы. Разрешение зависит от технологии (SLA позволяет печатать точнее, чем FDM), точности работы печатающих головок, настроек программного обеспечения и выбранного материала для печати;

• скорость печати напрямую зависит от точности: чем выше точность, тем меньше скорость выращивания модели.
• область печати говорит о том, какого размера объект можно напечатать на принтере. Другими словами, это зона возможной досягаемости печатающей головки по горизонтальным осям X и Y, а также по вертикальной оси Z. Обычно область печати выражают тремя цифрами – это высота, длина и ширина условного параллелепипеда (например, 20*30*30 мм). У дельта-принтеров область печати имеет форму цилиндра, поэтому указывается его высота и диаметр;
• тип используемых для печати пластиков. В бытовых условиях используются именно пластики, и это могут быть ABS и PLA пластики, некоторые модели могут печатать обоими видами материалов. Возможность печати тем или иным типом пластиков объясняется наличием или отсутствием подогрева платформы. Если вы пока не решили, чем будете печатать, то лучше выбрать модель, которая поддерживает максимальное количество материалов;
• страна-производитель. Европейские страны и США производят качественные, но дорогие устройства, завозятся в небольших количествах, сервисное обслуживание затруднено. Китайские устройства стоят недорого, качество часто оставляет желать лучшего, но для того, чтобы побаловаться, такие принтеры пойдут. Есть еще принтеры российского производства: при неплохом качестве они радуют возможностью сервисного обслуживания.

Интересные факты о 3D-печати

1. Прототип современного 3D-принтера был впервые представлен еще в 1966 году в знаменитом телевизионном сериале “Звездный путь” (Star Trek). По сценарию герои сериала использовали соответствующее устройство на своем космическом корабле с целью печати различных продуктов питания. На сегодняшний день 3д-печать еды – это уже весьма проработанная технология, реализованная во многих странах мира – определенные разработки на этот счет присутствуют и в Беларуси.

3D-принтер из сериала “Звездный путь” – Food Replicator печатает еду (Изображение кликабельно)

2. Куда более важным и весьма интересным фактом в истории технологий объемной печати является то обстоятельство, что первый патент в данной области получила группа французских ученых 16 июля 1984 года, однако (в итоге) он был прекращен компаниями Alcatel-Alsthom и The Laser Consortium по причине отсутствия (по мнению ответственных сотрудников названных фирм) у данной технологии деловой перспективы. Интересно то, что всего лишь спустя 3 недели патент на схожую разработку получил Чак Халл, один из основателей компании 3D Systems Corporation, ныне занимающей лидирующие позиции на мировом рынке 3д-печати.

3. 3д-печать, способная создавать объекты различного размера и формы под индивидуальные задачи, уже сегодня весьма активно используется в такой области, как строительство. Однако, перспективы аддитивных технологий не ограничиваются лишь применением на нашей родной планет “Земля”.

Так, по данным издания TopNewsWeek.com, в настоящий момент группа ученых, состоящая из сотрудников Университета Вашингтона (США) и НАСА, активно работает над  созданием технологии и соответствующего оборудования, которые позволят осуществлять 3d-печать с использованием лунной пыли. Цель, как уже можно догадаться, заключается в том, что бы в процессе колонизации естественного спутника печатать необходимые элементы (например, запасные части к луноходу), а в перспективе и строительные материалы для возведения жилых и рабочих модулей станции прямо на Луне.

4. Еще один интересный факт : знаете ли вы, что 3d-печать, в ее нынешнем виде, по сути началась с того, что один из нынешних общепризнанных экспертов данной индустрии (Скотт Крамп из Stratasys) решил сделать для своей маленькой дочери игрушечного лягушенка при помощи клеевого пистолета.

Разновидности 3 d принтеров

Моделей 3D-принтеров огромное количество, различается по сложности и их устройство.

К особо сложным относятся принтеры, используемые в промышленности, которые, используя высокоточные лазеры, изготавливают изделия, спекая слои из мельчайших частиц металлического порошка. На 3 д принтер цена выливается не в одну сотню тысяч долларов.

Существует вариант промежуточный, цена на который примерно 200 тысяч рублей.

Это принтеры, имеющие множество дополнительных функций:

• сенсорный дисплей;
• автокалибровку;
• подогрев рабочей камеры.

В них используется «моделирование послойного наплавления» или технология FDM.

3DP

Технология 3DP (Three dimensional printing) или «Струйная трехмерная печать» заключается в следующем: на материал в порошковой форме наносится клей, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так весь цикл печати. Данная технология была изобретена в 1993 году в MIT (Массачусетском технологическом институте). Главными преимуществами этой технологии можно назвать возможность добавлять краску в клей (печать разными цветами), возможность использовать в домашних условиях и для бытовых нужд, можно использовать разные материалы в виде порошка (стекло, резина, бронза, дерево и др). Также стоит отметить, что в данном виде печати нет необходимости для создания дополнительных опор для прототипа. Главными недостатками можно считать то, что на выходе получается достаточно грубая модель (печать до 100 микрон) и что часто требуется дополнительная постобработка получившейся детали. Какие-либо изделия, рассчитанные на сильное механическое воздействие, распечатать методом 3DP не получиться. Основное назначение таких 3D принтеров — это печать сувениров и подарков, макетов, а также, если в качестве связующего элемента использовать пищевой клей, печать сладостей, конфет.

Технология струйного моделирования

Технология моделирования или Ink Jet Modelling имеет следующие запатентованные подвиды: 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet).

Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих – широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка 3D принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание.

Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики.

Технология струйного моделирования

Принтеры для 3D печати с использованием технологии струйного моделирования изготавливают следующие компании: Solidscape Inc, Objet Geometries Ltd, 3D Systems.

Топ-5 заблуждений о трехмерной печати в домашних условиях

На 3D-принтере можно напечатать что угодно.

На самом деле, нет – разрешение печати, габариты поля печати и диаметр сопла принтера накладывают ограничения на размер деталей. Также деталь должна иметь плоское основание, иначе она быстро отклеится от поверхности рабочей площадки.

Легко печать сборные конструкции.

Гайку, которая накручивается на болт, напечатать реально, но не на домашнем принтере. Для этого требуется более высокая точность, которую обеспечивает только дорогое оборудование.

На принтере можно создать многоцветный объект.

Производители работают над этим, но на бюджетных принтерах это пока не реализовано. Для многоцветной (два и более цвета) печати требуется несколько печатных головок.

Модели, созданные на 3D-принтерах, очень хрупкие.

Да, они будут более податливыми, чем литые, но достаточно прочными для использования в быту. Здесь все зависит от того, куда будет приложено усилие: вдоль или поперек волокон (как в древесине).

Печатать просто – подключил принтер и работай!

Погодите, вначале его придется откалибровать, подобрать настройки и разобраться с управлением. Даже после этого может уйти несколько недель, прежде чем вы научитесь печатать аккуратные модели.

Если вы хотите приобрести 3D-принтер для дома, вам придется найти подходящую модель, научиться настраивать ее, разобраться с ПО и подобрать качественные материалы для печати. Но, уверены, результат вас порадует: вы сможете печатать пластиковую посуду и другую домашнюю утварь, аксессуары для волос, различные емкости для хранения, детские и канцтовары – практически все, что можно изготовить из пластика. А можно пойти еще дальше и узнать, как 3D-принтеры используются в военной и космической промышленности, в исследовательской деятельности и образовании, в производстве электроники и искусстве. Но это уже совсем другая история.

Поделиться

Аппроксимация радиусов с зависимости от высоты слоя.

Заданная высота слоя напрямую влияет на точность 3Д-печати. Это ярко выражено на радиусах в сечениях модели по вертикали. Рассмотрим деталь из предыдущего пункта, позиционируя ее в камере 3Д-принтера на ребро.

Как видно на рисунке, от выбранной высоты слоя зависит качество отверстия. Чем меньше высота слоя, тем качественнее получается деталь. При этом стоит учитывать время 3Д-печати. При увеличении высоты слоя уменьшается время печати за счет уменьшения общей длинны траектории, описываемой экструдером. Соответственно цена на деталь снижается, т.к. время работы 3Д-принтера напрямую влияет на стоимость 3Д-печати.

Печать игрушек и сувениров

Использование 3D принтеров для создания уникальных игрушек и сувениров уже ни у кого не вызывает удивления. Теперь легко получить готовый полноцветный прототип перед запуском изделия в массовое производство. Анализ прототипа позволяет изучить текстуру будущего изделия, его форму, размер и цвет.

Чаще всего сувенирные изделия печатают из гипсовых материалов, дополнительно обработанных для увеличения прочности готового изделия. 3D принтеры печатают сувениры с различной цветностью, вплоть до полноцветной текстуры в 390000 оттенков.

Игрушки и сувениры, напечатанные 3D принтерами

Для изготовления цветных игрушек и сувениров больше всего подходят принтеры ZPrinter 250, 450, 650 и 850.

Слияние порошкового слоя

Слияние порошкового слоя представляет собой подгруппу аддитивного производства, при котором источник тепла (например, термопечатающая головка или лазер) используется для объединения материала в порошкообразную форму для создания физических объектов. Пятью наиболее распространенными формами этой технологии являются:

7a) Селективное лазерное спекание (SLS): в качестве источника энергии используется лазер для спекания порошкообразного материала, такого как полиамид или нейлон. Здесь термин спекания относится к процессу уплотнения и формирования твердой массы материала путем приложения давления или тепла без плавления его до точки сжижения.

7b) Селективное лазерное плавление (SLM): в отличие от SLS, этот метод предназначен для полного расплавления и плавления металлических порошков вместе. Он может создавать полностью плотные материалы (слой за слоем), которые имеют механические характеристики, аналогичные тем из традиционных изготовленных металлов. Это один из быстро развивающихся процессов, который реализуется как в промышленности, так и в научных исследованиях.

7c) Электронно-лучевая плавка (EBM): в этом процессе сырье (проволока или металлический порошок) помещают в вакуум и сплавляют вместе, используя электронный луч. Хотя EBM можно использовать только с проводящими материалами, он обладает превосходной скоростью сборки благодаря более высокой плотности энергии.

7d) Выборочное тепловое спекание (SHS): в нем используется термическая печатающая головка для подачи тепла на слои порошкообразного термопласта. Как только слой закончен, слой порошка перемещается вниз, и добавляется новый слой материала, который затем спекается для формирования следующего поперечного сечения модели. Этот метод лучше всего подходит для изготовления недорогих прототипов и деталей для функционального тестирования.

7e) Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS): Он похож на SLS, но вместо этого использует мощность металла. Оставшаяся энергия становится вспомогательной структурой объекта и может быть повторно использована для следующей 3D печати. Детали DMLS в основном изготавливаются из порошкообразных материалов, таких как титан, нержавеющая сталь, алюминий и несколько нишевых сплавов. Это идеальный процесс для изготовления медицинских деталей на заказ, нефтегазовых компонентов и прочных функциональных прототипов.

Шероховатость тонкой стенки.

При подготовке G-кода в стандартном виде программа стремиться сделать Вашу деталь максимально прочной. Это плохо лишь в одном случае, когда изделие имеет тонкостенные элементы. При построении траектории мы задаем минимальную толщину стенки, внутри которой будет строиться заполнение. Как правило эта толщина равна 3-ем диаметрам сопла. Но в случаях, когда есть места, где толщина меньше, чем толщина внешней стенки программа при построении траектории обрисует по одному периметру с каждой стороны, а между ними заполнит пустоту. Из-за того, что заполнение будет происходить на расстоянии от 1 до 2 диаметров сопла, экструдер начнет вибрировать, начнется инерционное биение (см. пункт инерционное биение). Чем больше это расстояние сводится к 1 диаметру сопла, тем быстрее наступает околорезонансная частота. Все это негативно сказывается на внешности этой стенки, так как вибрация передается на околостоящий материал. Посмотрим наглядно.

Чтобы свести данную погрешность в минимуму необходимо проектировать деталь таким образом, чтобы толщина стенки была кратна диаметру сопла. Разница на лицо!

Образование

Использование технологии 3D печати в образовании позволяет получить наглядные пособия, которые отлично подходят для классных комнат любых образовательных учреждений, начиная от детских садов и заканчивая вузами.

Современные 3D принтеры отлично подходят для классных комнат, поскольку имеют повышенную надёжность, не выделяют во время печати вредных для здоровья продуктов, не предъявляют особых требований к утилизации, не содержат режущих и бритвенных материалов, не имеют лазеров.

Наглядные пособия, напечатанные 3D принтером для учреждений среднего профессионального образования

Предполагается, что оснащение образовательных учреждений конструкторских или дизайнерских специальностей 3D принтерами поспособствует повышению эффективности образовательного процесса и быстрому усвоению знаний учащимися и студентами.

Направленное осаждение энергии

Метод осаждения направленной энергии широко используется в высокотехнологичной металлургии и в быстром производстве. Печатное устройство содержит сопло, которое крепится к многоосевому манипулятору робота. Сопло наносит металлическую энергию на платформу для сборки, которая затем плавится лазером, плазмой или электронным лучом, образуя твердый объект.

Этот тип 3D-печати поддерживает различные металлы, функционально классифицированные материалы и композиты, включая алюминий, нержавеющую сталь и титан. Он не только может конструировать совершенно новые металлические детали, но также может прикреплять материал (ы) к существующим деталям, что позволяет использовать гибридное производство.

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Выделяют несколько схем 3D-печати, исходя из перемещений платформы и печатающей головки, которые могут двигаться относительно друг друга в различных плоскостях.

Существует четыре основные схемы печати:

• дельта,
• экструдер перемещается по осям Х и Y,
• экструдер меняет положение в пространстве по осям X и Z,
• экструдер движется по осям X, Y и Z.

I схема

Платформа находится в неподвижном состоянии, положение по осям x, y, z меняет только экструдер. Особенность модели — наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трёх стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещённом на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Плюсы: высокая скорость печати, хорошая точность.

ЗагрузкаДельта

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка находится над платформой и способна двигаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.

ЗагрузкаЭкструдер движется по осям Х и Y

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как в предыдущем типе, способен передвигаться влево или вправо, а также менять своё положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, способна двигаться вперед или назад не меняя высоты.

ЗагрузкаЭкструдер перемещается по осям X и Z

IV схема – экструдер движется по осям X, Y и Z

Последняя схема предполагает использование неподвижной платформы. Как в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трём осям , однако в данном случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

Sheet Lamination – объединение листовых материалов

Некоторые принтеры используют бумагу и пластик в качестве строительного материала, чтобы снизить стоимость печати. В этом методе несколько слоев клеящего пластика, бумаги или металлических ламинатов последовательно соединяются вместе и обрезаются до нужной формы с помощью лазерного резака или ножа.

Разрешение слоя может быть определено исходным материалом. Обычно оно составляет от одного до нескольких листов копировальной бумаги. Процесс может быть использован для изготовления больших деталей, но точность размеров конечного изделия будет значительно ниже, чем у стереолитографии.

Виды 3D-печати

Наряду со стереолитографией существует несколько других технологий трехмерной печати. Остановимся на них подробнее.

Экструзионная печать

За этим способом создания трехмерных объектов скрывается послойное наплавление (FDM) и многоструйная печать (MJM). Принцип печати следующий: исходный материал выдавливается (это и есть экструзия), а из получившейся массы формируется готовый объект. В этом случае используются термопластики или композитные материалы на их основе.

Спекание, склеивание и плавка

Все эти методы требуют использования порошкового материала, причем это может быть не только пластик, но и дерево или металл. Технологии лазерного спекания (SLS и DMLS) позволяют с помощью спекания создавать даже цельнометаллические детали! А в принтерах SLM-типа происходит не просто спекание, а полноценная плавка материала – так создаются монолитные и совершенно не хрупкие изделия.

Ламинирование

Не самая распространенная технология, но тоже достойная вашего внимания. Здесь готовая модель появляется благодаря постепенному наслаиванию тонких материалов – бумаги, фольги или пластиковой пленки. Слои склеиваются, а затем обрезаются по контуру цифровой 3D-модели лазером или лезвием.

Различия в основных характеристиках

Прежде чем рассматривать, какие существуют отличия между встроенными и лазерными принтерами, предлагается познакомиться с таблицей, в которой присутствует краткая информация с разницей технических характеристик, которые можно сравнить между собой.

В первую очередь необходимо познакомиться с разницей в ценовой политике. Согласно среднестатистическим показателям, достойные струйные принтеры можно найти в пределах 6–7 тыс. руб. А вот лазерные аппараты, поддерживающие исключительно черно-белый формат печати, имеют цену около 9000 руб. Лазерное устройство, осуществляющее еще и цветную печать, значительно отличается по стоимости, которая колеблется в пределах 15–20 тыс. руб.

Чтобы понимать, о чем идет речь, необходимо рассмотреть стоимость расходного материала. Оригинальный картридж струйного принтера способен распечатать 30 цветных изображений или же 400 листов черно-белого текста. Картридж лазерного принтера способен вывести 150 цветных изображений и 1300 страниц черно-белого текстового материала. При этом стоимость картриджа для струйной системы колеблется в пределах 500–600 руб., картриджи для лазерного принтера стоят 200–250 руб.

Увидеть огромную разницу при распечатке черно-белой информации практически невозможно. Что лазерные, что струйные принтеры с данной задачей справляются без всяких проблем. А вот если рассматривать вопрос распечатки цветных фотографий и изображений, то струйные аппараты имеют высокое превосходство. И связано это с тем, что чернила жидкой консистенции интенсивнее смешиваются между собой, благодаря чему обеспечиваются: широкое разнообразие цветовой палитры, высокая прорисовка и детализация.

Как говорилось ранее, стоимость нового картриджа для струйных моделей принтеров составляет примерно 500–600 руб. В нем присутствует около 13 мл красящего вещества. Когда чернила кончаются, можно приобрести новый картридж, однако в целях экономии предпочтительно делать дозаправку старых емкостей. Но, к сожалению, частая дозаправка картриджа негативно отражается на качестве печати.

Если струйный принтер длительное время стоит без дела, чернила засыхают. Соответственно, приходится приобретать новые картриджи. Однако высохшие чернила – это не самое страшное. Гораздо серьезнее, если высыхает не только красящее вещество, но и печатающая головка, ремонт которой является весьма дорогим удовольствием. Чтобы избежать этого, необходимо хотя бы раз в неделю делать вывод цветного изображения.

Для принтеров лазерного типа стоимость нового картриджа составляет 200 руб. По такой же цене производится дозаправка. При длительном застое устройства красящее вещество не высыхает, так как имеет порошковый вид. Некоторые считают, что произвести заправку старого картриджа можно самостоятельно, но это не так

Важно соблюдать меры предосторожности, так как тонер является токсичным и несущим вред для здоровья человека

В вопросе экологичности струйные принтеры выигрывает у лазерных моделей. Из-за высокой токсичности красящее вещество, попав на кожные покровы и слизистую, может вызвать аллергическую реакцию. Если вдохнуть небольшое количество сухой краски, можно нанести огромный вред всему здоровью. Кроме того, при нагревании тонера выделяется озон – вещество, способное нанести непоправимый вред здоровью. Лазерные принтеры необходимо устанавливать в проветриваемых помещениях. А вот красящее вещество струйных моделей никоим образом не влияет на здоровье человека.

Объем встроенной памяти у современных моделей принтеров (струйного и лазерного видов) довольно высокий. Если же показатель равен 32 Мбайта, гарантировать качество распечатанного изображения невозможно.

Печатающий блок лазерного принтера работает в несколько раз быстрее и качественнее, нежели в моделях струйного вида. К сожалению, по внешнему виду отличить лазерные принтеры от струйных моделей невозможно. Оба обладают красивым строгим дизайном, скрывающим в себе уникальную печатающую «начинку».

Основываясь на предоставленной информации, сказать точно, какой принтер лучше, невозможно. Оба устройства имеют как положительные, так и отрицательные стороны.

Для чего предназначен 3D принтер

Отличием 3D технологии считается многофункциональность. Использоваться 3D принтер, печатающий металлом, может любителями, а также профессионалами.

Спектр применения очень разнообразен:

• изготовление металлических предметов сложнейших форм;
• имитация ковки с использованием дополнительных устройств и др.

Промышленные образцы 3D принтера для печати металлом справятся легко даже с созданием ракетных двигателей, которые от оригинала практически невозможно отличить. Это подтверждает, что пригодна данная технология для изготовления на принтере всевозможных форм и габаритов металлических предметов.

SL (Stereolithography)

Главная идея стереолитографии (SLA или SL) заключается в том, что жидкий фотополимер застывает под воздействием УФ излучения — модель постепенно опускается в некий объем расходного материала, выравнивается и обрабатывается УФ лучами, что заставляет фотополимерную жидкость застывать в местах соприкосновения с лучом. Для печати в данной технологии используются фотополимерные смолы, которые, к сожалению, стоят недешево. Это, пожалуй, главный недостаток данной технологии. Преимуществ у стереолитографии гораздо больше: высокая точность деталей (толщина до 10 микрон), относительно высокая скорость печати, не требует какой-либо особой обработки после печати, можно печатать модели с самой сложной геометрией. Область применения данных видов 3d принтеров самая разнообразная — от промышленности до бытового использования.