Принцип и технология работы 3D-принтера

Принцип работы 3D принтераТехнология 3D печати появилась всего пару десятков лет назад, но развитие ее идет очень быстро и сразу по нескольким направлениям. Что такое 3D-принтер, знает далеко не каждый, но это устройство уже широко внедряется в различные сферы жизнедеятельности человека, от развлечений до медицины, промышленности и даже производства оружия.

В основе технологии печати реальных трехмерных объектов лежит принцип создания моделей путем наращивания их тел. В том способе, которым предпочитают изготавливать модели в промышленности, существует множество недостатков, главные из которых – большие временные затраты и высокая доля отходов, которые просто уходят на свалку. Ведь деталь изготовляется методом отсечения излишков различными способами – например, на токарном станке. Поэтому первое применение трехмерная печать нашла именно в промышленном дизайне, применяясь для быстрого создания прототипов. С трехмерными принтерами эта операция оказалась гораздо более быстрой, дешевой и – главное – наглядной.

Трехмерным принтером, или 3D принтером, называют специальное устройство, способное по компьютерной трехмерной модели воссоздать реальный физический объект из предназначенного для этого материала. Чтобы понять, как работает 3D-принтер, нужно рассмотреть все используемые на сегодня способы печати, ведь они отличаются и результатом, и скоростью работы, и принципом действия, используемым материалом и другими параметрами. К примеру, только некоторые трехмерные принтеры, работающие по принципу струйной печати, способны создавать полноцветные модели – все остальные печатают лишь монохромные.

Струйная 3D печать очень похожа на обычную струйную печать на бумаге, только выполняется она в несколько слоев. Толщина слоя составляет всего несколько микрон, поэтому на готовом предмете не будет «ступенек», как могло бы показаться вначале – поверхность будет ровной и гладкой. Самая распространенная струйная 3D печать выполняется путем склеивания частичек гипса, которые лежат сплошным слоем. Перед началом работы в принтер высыпается первый слой порошка толщиной около миллиметра. После разогрева до технологически необходимой температуры печатающая головка начинает разбрызгивать в местах расположения поверхностей объекта клей. Как только первый слой схватывается, платформа, на которой происходит печать модели, опускается ровно на толщину одного слоя (теперь уже в несколько микрон), снова насыпается порошок, и принтер начинает создавать второй слой.

Как раз этот способ и позволяет печатать разноцветные объекты. Красящий состав добавляется в клеящее вещество, и в итоге получается цветной объект. После окончания печати необходимо очистить готовую деталь от остатков порошка. Как правило, для этого ее помещают в специальную камеру, в которой производится обдув струей воздуха.

Другой вариант струйной трехмерной печати – использование вязких текучих материалов. Например, таким становится термопластик при нагревании, или же это могут быть самозастывающие массы – такие, как керамическая. Также используются различные другие материалы, в том числе пищевые: шоколад, крем для торта, горчица, тесто и так далее.

Наиболее распространенный способ печати таким методом – FDM, или Fused Deposition Modeling. Здесь используется термопластик в виде нити, намотанной на бобину и заправленной в головку, где нагревается и выдавливается в рабочую область. В таком случае работа 3D принтера напоминает работу экструдера, и вполне понятно, почему его назвали экструзионным. При этом способе печатающая головка накладывает на основу, расположенную на платформе, отдельные капли, которые сплавляются между собой и застывают, образуя готовый объект. Печать ведется также послойно, круг за кругом.

Используется также еще один вариант струйной печати, которую скорее можно назвать фотополимерной. Здесь применяется специальный пластик, который затвердевает в лучах ультрафиолета. Для печати каждого слоя изготавливается форма-шаблон, через которую и засвечивается пластик.

Лазерный 3D принтер создает поверхность объекта попиксельно, последовательно спекая используемый материал. Такой принцип работы 3D принтера называется селективным лазерным спеканием, обозначается английской аббревиатурой SLS (Selective Laser Sintering ). Для работы такого принтера необходим либо плавкий пластиковый порошок, либо металлический – и это автоматически позволяет создавать полностью готовые к применению детали, что с успехом и используется в передовых отраслях промышленности – ракетостроении, самолетостроении и других. Этот способ имеет широкие возможности, поскольку позволяет создавать объекты любой формы без использования поддержек для отдельных свисающих деталей – ведь все пространство под ними так или иначе заполнено порошком.

Также может использоваться жидкий фотополимерный пластик, который засвечивается лазером и вследствие этого затвердевает. Как только принтер сформирует первый слой, платформа с объектом погружается в фотополимер, и начинается процесс создания второго слоя. Этот способ печати получил название лазерной стереолитографии и обозначается аббревиатурой SLA.

Еще один способ трехмерной печати лазерным принтером заключается в использовании тонких пластинок, каждая из которых будет представлять собой слой детали. Из пластинок лазером вырезаются контуры сечения, затем они склеиваются – спаиваются – между собой. Этот способ печати называется ламинированием, или LOM (Laminated Object Manufacturing). При таком способе у объектов, имеющих сложную форму, может вызвать трудности извлечение остатков печатного материала.

Технология 3D печати достаточно разнообразна, но процесс ее развития еще не завершен, поэтому какие-либо серьезные выводы делать рано. Тем не менее, ясно одно: эта технология уже начала изменять наш мир, она становится все более доступной каждому – ведь цена 3D-принтера неуклонно снижается, и вполне возможно, что массовое производство скоро станет совсем не нужным: каждый человек сможет самостоятельно распечатать любую вещь, от ложки или зажигалки – до мобильного телефона или автомобиля.

© 2018.