1. Трохи про технології
2. Витратні матеріали
3. Inno3D Printer D1 - доступний 3D-принтер
4. «Барахолка» готових 3D-моделей. ПО для створення власних продуктів
5. 3D-друк для побутових потреб. власний досвід
6. Правила конструювання 3D-моделей
7. Резюме. Майбутнє 3D-принтерів
8. Технічні характеристики Inno3D Printer D1

3D-принтери тривалий час могли собі дозволити тільки спеціалізовані компанії, які відчували необхідність в швидкому створенні прототипів готових виробів, або випуску малих партій продукції. Створення вироби в одиничних екземплярах за допомогою тривимірної друку, незважаючи на високу вартість 3D-принтерів, у багатьох випадках набагато дешевше, ніж використання дорогих форм для лиття або прес-форм, або застосування інструментальних верстатів.

В останні роки вартість 3D-принтерів значно знизилася, що привернуло до них увагу звичайних споживачів. Виробники старанно стимулюють цей попит, показуючи свої пристрої на різних виставках і конференціях. Правда, демонстрація можливостей тривимірної друку при цьому зводиться до створення різних чудернацьких дрібничок. Але чи можна зробити 3D-принтер корисним в побуті і що для цього потрібно? Редакція блогу Imena.ua провела власний експеримент, використовуючи бюджетний апарат Inno3D Printer D1 і високочественние витратні матеріали Verbatim PLA Filament.

Трохи про технології

Перш ніж переходити до практики використання 3D-принтерів в побуті, перерахуємо найбільш поширені сьогодні технології. Для тривимірної друку (друга назва - «швидке прототипування») застосовуються різні способи і матеріали, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового нарощування твердотільної моделі.

Розробки в області швидкого прототипування велися ще в 1980-х. Однак широке комерційне поширення 3D-принтери отримали лише в початку 2010-х . Це було пов'язано із закінченням терміну дії ряду патентів, пов'язаних з цим різким зниженням вартості пристроїв, популяризацією технології серед широких мас і появою відносно доступних і якісних витратних матеріалів.

• Стереолітографія (SLA). Вихідний продукт - рідкий фотополімер, в який доданий спеціальний реагент-затверджувач. У звичайному стані матеріал залишається рідким, але під впливом ультрафіолетового світла полімеризується і стає твердим.

• Селективне лазерне спікання. Технологія аналогічна SLA, але замість рідини використовується порошок з розміром частинок 50-100 мкм. Лазерний промінь спікають черговий шар, в результаті чого він твердне. Перевага цього методу - різні вихідні матеріали, наприклад, метал, пластик, кераміка, скло, спеціальний віск.

• Метод багатоструеневого моделювання (Multi Jet Modeling, MJM). Тут за аналогією зі звичайною струменевим друком матеріал подається через невеликі сопла, розташовані на друкуючої голівці. Як матеріал для MJM-принтерів можуть використовуватися пластики, фотополімери, спеціальний віск, а також матеріали для медичних імплантів. Застосування фотополімера вимагає засвічення надрукованого шару УФ-лампою з метою його затвердіння.

• Пошарове склеювання плівок (Laminated Object Manufacturing, LOM). Тонкі листи матеріалу ріжуться лазерним променем або спеціальним лезом по викрійці, яка відповідає цьому шару, а потім склеюються між собою. Для створення 3D-моделей може використовуватися не тільки пластик, але навіть папір, кераміка або метал.

Однак основною причиною значного здешевлення 3D-принтерів стало винахід технології пошарового наплавления - Fused Deposition Modeling (FDM). Також вона відома як виробництво методом наплавлення ниток - Fused Filament Fabrication. Саме цей метод сьогодні найбільш поширений і доступний для кінцевих споживачів, не в останню чергу завдяки появі наборів «зроби сам», що дозволяють самостійно і досить дешево зібрати 3D-принтер.

Зразок 3D-принтера з набору «зроби сам». До речі, котушка для пластикової нитки роздрукована на іншому 3D-принтері

Суть методу FDM складається в расплавлении нитки із пластику в спеціальній друкуючій голівці - екструдері - який видавлює рідкий матеріал через сопло і завдає його пошарово на потрібні ділянки вироби. Чим менше діаметр сопла, тим тонше будуть надруковані шари, і тим точніше форма готового об'єкта буде відповідати цифрової моделі.

В якості витратного матеріалу застосовується пластик ABS і PLA. Перший виробляється з нафти, є непрозорим, легко забарвлюється в різні кольори. Серед його переваг - невисока вартість і жорсткість (більш висока, ніж PLA), тому виріб зберігає форму при великих навантаженнях. Для ABS необхідний надійний прогрів платформи 3D-принтера, температурний режим екструдера - 210-270 °. Основний недолік ABS - чутливість до впливу ультрафіолетових променів і атмосферних опадів.

У свою чергу, PLA - це екологічно чистий полілактид (PLA), який також використовується для виробництва одноразового посуду і медичних виробів. PLA виробляють з кукурудзи і цукрового очерету. Цей матеріал легко розкладається у відкритому середовищі і безпечний для людини, тому більш популярний. Крім того, в процесі роботи принтер не виробляє неприємного запаху «паленої пластмаси». Є недолік: вироби з PLA з часом руйнуються, їх середній час життя складає близько 3-4 років при навколишній температурі близько 25 ° С.

PLA пластик - це екологічно чистий полілактид (PLA) виробляють з кукурудзи і цукрового очерету. Цей матеріал легко розкладається у відкритому середовищі і безпечний для людини

Серед недоліків FDM-технології: невисока швидкість друку (втім, це загальний недолік для всіх пристроїв 3D-друку) і відносно велика товщина шару - близько 0,1 мм, що призводить до помітної шорсткості / шаруватості поверхні виробу.

Крім того, іноді виникають складності з фіксацією моделі на робочому столі, адже перший шар, який служить як би фундаментом для всіх інших, повинен надійно «приклеїтися» до поверхні платформи. Щоб вирішити цю проблему, виробники наносять на робочий стіл спеціальне покриття, а також постачають його системою підігріву. Проте, іноді модель все-таки відривається від столу в процесі друку, що призводить до непоправного браку.

Витратні матеріали

Ситуація на ринку витратних матеріалів для тривимірної друку нагадує ринок звичайних принтерів: є «оригінальні витратні матеріали» від іменитих виробників і є більш дешева «сумісна» продукція від noname-вендорів.

3D-принтери споживають пластикову нитку двох стандартних діаметрів: 1,75 і 3 мм. Потрібний діаметр визначається специфікацією принтера, причому значні відхилення від стандартного діаметра можуть привести до складнощів в роботі принтера. Пластик поставляється в котушках і продається на вагу. PLA гигроскопичен і при зберіганні вимагає дотримання режиму вологості, інакше може початися розшарування матеріалу, що призведе до дефектів при виготовленні моделі.

Для кожного типу матеріалу повинна бути відома робоча температура, до якої повинен нагріватися матеріал в друкуючій голівці. Ці величини не обов'язково будуть однакові для всіх «расходников», зроблених з одного і того ж матеріалу. В ідеалі, оптимальні температури вендор повинен вказати на етикетці котушки або в інструкції по застосуванню. Якщо таких даних немає, їх доводиться підбирати експериментально.

Оптимальна робоча температура пластика Verbatim вказана на етикетці

Verbatim - один з найбільш відомих виробників, що пропонує високоякісний пластик з полімолочной кислоти. За заявою вендора, нитка має низьку возгораемостью. Крім того, важлива перевага в тому, що не потрібно підігрівається платформа для друку. Оптимальна робоча температура вказана на етикетці - від 200 до 220 ° С.

Verbatim пропонує PLA-нить різного забарвлення

PLA-нить поставляється намотаною на котушку і запакованій в коробку, в яку вкладено спеціальний матеріал для поглинання вологи. Вимірювання діаметра нитки в декількох зразках пластика підтвердило заявлені 1,75 мм з похибкою в кілька сотих. Стабільність розміру діаметра забезпечує максимально однорідну волокнисту структуру для отримання оптимальної якості. Тест на вигин рукою також показав хороші результати: пластик не ламався.

Напівпрозора PLA-нить дозволяє друкувати вироби, що нагадують за зовнішнім виглядом скло

Inno3D Printer D1 - доступний 3D-принтер

Для експерименту ми вибрали пристрій Inno3D Printer D1 - один з найдоступніших принтерів для тривимірної друку. Апарат працює за технологією пошарового наплавления, його вартість складає трохи вище 1 тис євро.

Зовні Inno3D Printer D1 нагадує пристрої, які ентузіасти збирають вручну. Захисного кожуха тут немає, принтер має відкриту конструкцію. Нижня частина апарату представляє собою короб з листової жерсті, в якій розміщений сенсорний екран управління, роз'єм miniUSB, слот для карт SD і сервопривід для переміщення робочого столу по осі Y. Екструдер переміщається по осях X і Z завдяки двом вертикальних напрямних і з'єднують їх горизонтальної направляючої . Котушка з пластикової ниткою кріпиться збоку на трьох роликах.

Принтер Inno3D Printer D1 відрізняється відкритою конструкцією (вид зверху). Зліва розташована котушка з PLA-ниткою, яка по рукаву подається на екструдер (праворуч)

Для фіксації моделі на робочому столі на його поверхню наклеюється спеціальний папір, саме на неї лягає перший шар. Слід зазначити, що цей папір можна використовувати багаторазово, поки вона не почне стовбурчитися або протиратися.

Inno3D Printer D1 дозволяє друкувати кілька незв'язаних між собою об'єктів

Відсутність загального захисного кожуха, очевидно, негативно впливає на працездатність пристрою. Справа в тому, що 3D-принтер - це досить прецизійний механізм, який повинен забезпечити переміщення екструдера з кроком приблизно 0,1 мм по кожній із осей. Оскільки всі трубки-направляючі покриті машинним маслом, і при цьому ніяк не захищені від зовнішнього впливу, з часом на них може накопичуватися пил, бруд, абразив. Щоб не сталося заклинювання, направляючі елементи доведеться час від часу чистити і змащувати. А ще краще зробити саморобний захисний кожух.

3D-друк - це тривалий процес. Друк полого циліндра висотою 30 мм займає близько години

Принтер дозволяє друкувати з комп'ютера через miniUSB-порт, або з карти пам'яті SD. У першому випадку процес проходить автономно від ПК, по-другому - комп'ютер повинен працювати весь той час, поки йде друк. Перед роботою необхідно провести процедуру автотестування і автокалибровки, що може зайняти близько 15-20 хвилин. Ці процедури запускаються за допомогою команд на сенсорному екрані.

Для підготовки файлу формату STL до друку використовується спеціальне програмне додаток inno 3 D printer D 1, яке поставляється в комплекті з принтером. З його допомогою можна змінити розмір і розташування моделі, його орієнтацію на робочому столі. До речі, принтер дозволяє друкувати одночасно декілька окремих фігур, однак необхідно їх розташувати на достатній відстані один від одного на робочому столі. Крім того, необхідно виконати процедуру Build, яка здійснює фінішну підготовку до друку, окремо для кожної фігури.

Додаток inno3D printer D1 показує приблизний час, який буде потрібно для друку моделі. Як показало тестування, зазвичай оцінне час істотно завищена, особливо якщо процес тільки стартував. Але чим ближче до фінішу - тим точніше додаток показує час, який необхідно для завершення друку.

Додаток inno3D printer D1 показує приблизний час, який буде потрібно для друку моделі

Кнопка Print додатки запускає процес друку, за допомогою цієї ж кнопки при необхідності його можна призупинити. Дуже важливо з запасом завантажити в котушку витратні матеріали для друку. Якщо їх не вистачить, то процес друку моделі перерветься, так як довантажити «витратні матеріали» прямо під час процесу і додрукувати потім розпочату фігуру не вийде. Варто відзначити, що принтер не може визначити, що закінчилися витратні матеріали, або трапилася інша проблема, через яку пластикова нитка більше не надходить. Тобто, пристрій продовжує «імітувати» процес друку, хоча з сопла екструдера більше не виходить розплавлений пластик.

inno3D printer D1 не може визначити, що закінчилися витратні матеріал і пластикова нитка більше не надходить

В налаштуваннях можна вибрати друк шарами від 0,12 мм до 0,3 мм. Логічно припустити, що шар 0,3 мм дозволить надрукувати модель набагато швидше, тим більше, що не завжди потрібно прецизійна друк шаром в 0,12 мм. Але проблема в тому, що при виборі шару 0,3 мм нитки не склеюються між собою. Тобто, для отримання міцної тривимірної моделі у користувача залишається тільки один варіант - 0,12 мм.

Взагалі, процес 3 D -печаті - досить тривалий, наприклад, друк тонкостінного циліндра висотою 30 мм займає близько години. Більші моделі можуть друкуватися цілий день. Витрата пластикової нитки становить близько 10 см за 3 хвилини.

«Барахолка» готових 3D-моделей. ПО для створення власних продуктів

Для отримання віртуальної тривимірної моделі є три шляхи. Перший і найдоступніший - скачати вже готову модель з одного зі спеціалізованих інтернет-порталів, яка очевидно буде лише красивою дрібницею, але в деяких випадках, не виключено, може якось стати в нагоді в господарстві. Наприклад, на сайті 3Dtoday.ru після реєстрації можна скачати безліч вже готових моделей як платно, так і безкоштовно.

Другий спосіб - створити цифрову модель за допомогою 3 D - сканування вже готового виробу. Такий підхід дуже ефективний, але в зв'язку з дорожнечею тривимірних сканерів доступний поки що лише професійним конструкторам.

Якщо ж необхідно роздрукувати виріб під власні вимоги, для вирішення практичних завдань вам буде потрібно ПО для створення 3 D-моделей. Серед найбільш простих в освоєнні і в той же час володіють непоганою функціональністю можна порекомендувати Autodesk 123D і Tinkercad, це САПР-системи в браузері від вендора Autodesk, які не вимагають установки на жорсткий диск. Серед альтернатив - 3DTIN, також редактор в браузері, функціональність якого схожа на Tinkercad, і Google SketchUp, досить проста система для початківців освоювати 3D-графіку від інтернет-гіганта.

Якщо ж можливостей безкоштовних систем не вистачає, відзначимо, що професійні конструктори для створення моделей використовують Autodesk Inventor, Autodesk 3D max, Solidworks, CATIA

Tinkercad - безкоштовний і простий в освоєнні редактор в браузері для створення 3D-моделей

При виборі ПЗ необхідно упевнитися, що програма здатна зберігати файл у форматі STL (всі вищеописані програми підтримують STL). Саме цей формат використовується для зберігання тривимірних моделей об'єктів. За своєю суттю STL є список трикутних граней, які описують поверхню моделі, і їх нормалей.

3D-друк для побутових потреб. власний досвід

В процесі тестування ми поставили дві цілком побутові завдання. По-перше, роздрукувати дві втулки для кріплення меблевих аксесуарів; по-друге, роздрукувати спеціальну фіксуючу муфту для блендера Braun замість поламаної. У першому випадку рішення задачі було продиктовано тим, що для кріплення були потрібні унікальні втулки, аналоги яких навряд чи можна було знайти в магазинах. По-другому випадку нами керувало звичайне бажання заощадити. Заміна пластикової муфти для блендера в сервісному центрі коштувала близько 450 грн, при тому, що абсолютно новий блендер коштував близько 850 грн. За розрахунками, 3D-друк такої муфти обійшлася б на порядок дешевше.

Для створення віртуальних моделей був обраний популярний редактор в браузері Tinkercad. При першому запуску необхідно пройти реєстрацію, після чого в ваш обліковий запис автоматично будуть зберігатися всі створені моделі. Програма безкоштовна, легка в освоєнні і цілком підходить для створення простих конструкцій.

Одне з важливих переваг створення конструкцій з використанням 3D-принтера - так зване «право на помилку». Тобто, якщо ви створили тривимірну модель, роздрукували її і вона не підійшла - нічого страшного, завжди можна змінити параметри віртуальної конструкції і роздрукувати заново. Звичайно, буде витрачено час і витратні матеріали, тим не менше, кілька спроб напевно дозволять добитися потрібного результату.

Одна з пластикових втулок, створених за кілька хвилин в Tinkercad і роздрукованих на 3D-принтері

До речі, друк с помощью витратності матеріалів Verbatim при товщіні кулі 0,12 мм показала відмінні результати - шари лягли Рівно, з'єднання между ними Було дуже міцне. За суті, роздрукована на 3D-прінтері модель представляет собою Щось на кшталт «листковий пирога», и если зварювання шарів стали недостатньо добре, то модель буде відрізнятіся низьких міцністю. Однак в нашому тесті пластикове віріб товщина від 5 мм виявило настолько міцнім, что его Було складно поламаті без использование будь-якіх ІНСТРУМЕНТІВ. Разом з тим, пластиковий лист товщина 1-1,5 мм Вихід дуже гнучкий, зовсім не жорсткий. Додамо, що друк проводилася при температурі 220 ° С.

На друк цієї незвичайної вази було потрібно близько 8 годин. Безкоштовна цифрова модель була завантажена з одного з інтернет-сайтів, присвячених технології 3D. Вершина недодрукованих - закінчилася PLA-нить

До речі, при наявності певного досвіду в конструюванні можна створити і роздрукувати, наприклад, кришку для смартфона, однак вона буде трохи товщі фабричної, оскільки при стандартній товщині PLA-пластик забезпечує недостатню міцність.

Правила конструювання 3D-моделей

При розробці власних тривимірних моделей слід дотримуватися наступних правил.

Мінімум нависають елементів. 3D-принтер з легкістю справляється з печаткою вертикальних елементів, однак для кожного нависає елемента необхідна підтримуюча конструкція. Припустимо, ви друкуєте мініатюрну модель будинку з двосхилим дахом. З печаткою фундаменту і стін проблем не буде, а ось для відтворення даху знадобиться спроектувати підтримку. Після закінчення процесу друку підтримка видаляється гострим ножем. Без підтримки допускається друк стінок, які мають кут нахилу не більше 70 °.

Плоска підстава. Щоб отримати якісний результат, що друкується модель повинна надійно триматися на столі принтера. Якщо вона відклеїться (а таке трапляється), то ви гарантовано отримаєте на виході шлюб.

Обмеження по габаритах. Будь-принтер має обмеження за максимально допустимими розмірами друкованої моделі. У разі, якщо потрібно надрукувати виріб, який більше цих габаритів, його необхідно в САПР-системі розділити на частини, щоб надрукувати їх окремо. Згодом ці частини можна склеїти воєдино. Для цього рекомендується відразу передбачити в конструкції з'єднання типу «гребінка», «шип» або «ластівчин хвіст».

Резюме. Майбутнє 3D-принтерів

Ще близько двох років тому головний футуролог Cisco Дейв Еванс передбачив, що за допомогою 3D-принтерів можна буде роздрукувати будь-яку продукцію, навіть їжу і одяг. Крім того, вже з'явилися біопринтери, які виконують друк 3D-структури органів для пересадки стовбуровими клітинами. Подальше поділ, зростання і модифікація клітин забезпечує остаточне формування об'єкта. До речі, ще в 2012 році один з учених, які працювали над створенням даної технології, роздрукував нирку. Більш того, вже відпрацьована технологія роздруківки велосипедів , Турбогвинтових двигунів і т. Д. У минулому році за допомогою спеціального сверхкрупного 3D-принтера вдалося надрукувати двоповерховий будинок всього за 3 години. Вже ведуться розробки по зведенню багатоповерхових будівель .

Згідно з прогнозами, до 2020 року вартість пристроїв знизиться настільки, що їх зможе собі дозволити будь-яка сім'я (правда, мова йде про американську сім'ю). І 3D -прінтер стане таким же невід'ємним аксесуаром будинку, як СВЧ-піч або пральна машина.

Зубні протези, створені за допомогою технології тривимірної друку

А які реалії сьогоднішнього дня? Застосування 3D-принтерів в побуті поки не дуже виправдано. Так, при наявності конструкторських навичок можна створити віртуальної тривимірну модель в одному з САПР-редакторів і потім роздрукувати її в реальності. Переваги такого підходу в тому, що можна створити унікальний виріб під власні потреби в єдиному екземплярі. Недолік у тому, що PLA-пластик не завжди забезпечує необхідну міцність. Крім того, при інтенсивному використанні на відкритому повітрі PLA-пластик через пару років починає розкладатися. Що ж, подивимося, наскільки це відповідає дійсності. Але швидше за все, через кілька років уже з'являться нові технології 3D-друку, які ще більше наблизять до нас майбутнє, прогнозоване в цій області футурологами.

Технічні характеристики Inno3D Printer D1

• Технологія друку: Моделювання методом наплавлення (FDM / FFF)
• Кількість друкуючих головок: 1
• Діаметр сопла: 0.4 мм
• Область побудови: 140 x 140 x 150 мм
• Товщина шару: 0.13 - 0.3 мм
• Дисплей: Сенсорний ЖК дисплей
• Матеріал для друку: PLA-пластик
• Діаметр нитки: 1.75 мм
• Інтерфейси: USB, Слот для SD-карт
• Формат файлів: STL
• Габарити принтера: 39 x 36 x 54 см
• Вага: 10 кг