Как работают 3D-принтеры?

Содержание

1 От прототипов, изготовленных вручную, до быстрого прототипирования
2 Как работает 3D-принтер?
3 В: Какие «чернила» использует 3D-принтер? О: Пластик!
- 3.1 дальнейшее чтение
4 Преимущества и недостатки
5 Приложения
6 Будущее 3D-печати
7 Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать
8 Узнать больше
9 Рекомендации

Даже лучшие художники с трудом показывают нам, как
выглядят объекты реального мира во всей их трехмерной (3D) красе. В большинстве случаев
это не имеет значения — взгляд на фотографию или эскиз дает нам
достаточно хорошее представление. Но если вы занимаетесь разработкой новых
продуктов и вам нужно продемонстрировать их клиентам или покупателям,
ничто не сравнится с прототипом: моделью, которую можно потрогать, подержать и
почувствовать. Проблема только в том, что создание моделей вручную занимает много времени, а
машины, которые могут делать «быстрые прототипы», стоят целое состояние (до
полумиллиона долларов).
[1]
Ура, тогда 3D-принтеры , которые работают немного
как струйные принтеры и создают 3D-модели слой за слоем до 10 раз
быстрее и в пять раз дешевле.
[2]
Как именно они работают? Давайте рассмотрим
подробнее!

Фото: 3D-печать в действии: это печатающая головка принтера Invent3D, которая
медленно, слой за слоем, создает объект, выдавливая расплавленный синий пластик из точно движущегося сопла.
Фото капрала Джастина Апдеграффа предоставлено Корпусом морской пехоты США.

От прототипов, изготовленных вручную, до быстрого прототипирования

До того, как появились такие вещи, как автоматизированное проектирование (САПР) и
лазеры, модели и прототипы кропотливо вырезались из дерева или
склеивались из маленьких кусочков картона или пластика.
На их изготовление могли уходить дни или даже недели, и обычно они стоили целое состояние. Внесение
изменений или доработок было сложным и отнимало много времени,
особенно если использовалась сторонняя компания по изготовлению моделей, и
это могло отбить у дизайнеров желание вносить улучшения или принимать
во внимание комментарии, высказанные в последнюю минуту: «Слишком поздно!»

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу: Как работает печать?

С появлением более совершенных технологий в 1980-х годах возникла
идея быстрого прототипирования
(РП) как решение этой проблемы: это означает разработку моделей и
прототипов более автоматизированными методами, обычно в течение часов или дней, а не
недель, как это было раньше при традиционном прототипировании.
[3]
3D-печать является логическим продолжением этой идеи, в которой проектировщики продуктов создают
свои собственные быстрые прототипы за часы, используя сложные машины,
похожие на струйные принтеры.

Фото: Высококачественный быстрый прототип космического самолета, изготовленный из воска по
чертежу САПР НАСА. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC) и Интернет-архивом.

Как работает 3D-принтер?

Фото: Типичный 3D-принтер среднего класса от Stratasys
(это uPrint SE Plus). Фото Джона Дж. Мура предоставлено армией США и DVIDS.

Представьте себе создание обычного деревянного прототипа автомобиля. Вы бы
начали с куска цельного дерева и вырезали бы его внутрь, как
скульптор, постепенно раскрывая объект, «скрытый» внутри. Или если бы
вы хотели сделать архитектурную модель дома, вы бы построили
его как настоящий сборный дом, вероятно, вырезав миниатюрные
копии стен из картона и склеив их вместе. Теперь
лазер может легко вырезать форму из дерева, и не выходит за
рамки возможного научить робота склеивать картон
, но 3D-принтеры не работают ни одним из этих способов!

Типичный 3D-принтер очень похож на струйный принтер, управляемый
с компьютера. Он создает 3D-модель по одному слою за раз,
снизу вверх, многократно печатая на одной и той же области методом, известным как
моделирование методом послойного наплавления (FDM) .
Работая полностью автоматически, принтер создает модель в течение нескольких часов, превращая 3D-
чертеж САПР в множество двумерных, поперечных
слоев — фактически разделяя 2D-отпечатки, которые располагаются друг над
другом, но без бумаги между ними. Вместо использования чернил, которые никогда не наберут большого
объема, принтер наносит слои расплавленного пластика или порошка и
сплавляет их вместе (и с существующей структурой) с помощью клея или ультрафиолетового света.

Художественное произведение: Один из первых в мире трехмерных FDM-принтеров,
разработанный С. Скоттом Крампом в 1980-х годах. В этой конструкции модель (розовая, 40) печатается
на базовой пластине (темно-синяя, 10), которая перемещается в горизонтальном направлении (X–Y), в то время как печатающая
головка и сопло (2 и 4, оранжевые) перемещаются в вертикальном направлении (Z). Сырьем для печати служит пластиковый стержень (желтый, 46), расплавленный печатающей головкой. Процесс нагрева тщательно регулируется термопарой
(электрическим датчиком тепла), подключенным к регулятору температуры (фиолетовый, 86). Стержень выдавливается с помощью сжатого воздуха из большого резервуара и
компрессора справа (зеленый, 60/62). С тех пор все немного изменилось, но основной принцип (создание объекта путем плавления и осаждения пластика под трехмерным контролем) остается прежним. Иллюстрация из патента США 5,121,329: Устройство и метод создания трехмерных объектов, автор С. Скотт Крамп, Stratasys Ltd, 9 июня 1992 г., любезно предоставлена Бюро по патентам и товарным знакам США.

В: Какие «чернила» использует 3D-принтер? О: Пластик!

В то время как струйный принтер распыляет жидкие чернила, а лазерный принтер использует твердый порошок, 3D-принтер не использует ни то, ни другое: вы не сможете построить 3D-модель, нагромождая цветную воду или черную пыль! То, из чего вы можете моделировать, — это
пластик.

3D-принтер по сути работает, выдавливая расплавленный пластик через крошечное сопло, которое он перемещает точно под
управлением компьютера. Он печатает один слой, ждет, пока он высохнет, а затем печатает следующий слой сверху. В зависимости от качества
принтера, вы получаете либо потрясающе выглядящую 3D-модель, либо множество 2D-линий пластика, грубо расположенных друг на друге — как плохо намазанная глазурь для торта! Пластик, из которого печатаются модели, очевидно, имеет огромное значение.

Фото: 3D-принтер Lulzbot. Вы можете увидеть небольшую катушку необработанного красного пластика
(«филамент»), который подается в печатающую головку сверху. Фото Стефана Белчера предоставлено
ВМС США.

Когда мы говорим о пластике, мы обычно подразумеваем «пластик»: если вы добросовестный переработчик, вы знаете, что существует множество типов пластика, каждый из которых отличается как химически (по молекулярному составу), так и физически (по тому, как они ведут себя по отношению к теплу, свету и т. д.).
Неудивительно, что 3D-принтеры используют термопластики (пластики, которые плавятся при нагревании и затвердевают при охлаждении), и обычно это либо ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), PLA (полимолочная кислота) или PETG (полиэтиленгерепталатгликоль).

Возможно, наиболее известный как материал, из которого сделаны кубики LEGO®, ABS также широко используется в салонах автомобилей (иногда и в наружных деталях, таких как колпаки колес), для изготовления внутренних частей холодильников и пластиковых деталей компьютеров (вполне вероятно, что мышь и клавиатура, которые вы используете прямо сейчас, сделаны из ABS-пластика). Так почему же этот материал используется для 3D-печати? На самом деле это композит из твердого, прочного пластика (акрилонитрила) с синтетическим каучуком (бутадиен-стиролом). Он идеально подходит для 3D-печати, потому что он твердый при комнатной температуре и плавится при температуре чуть выше 100 °C (220 °F), что достаточно прохладно, чтобы расплавиться внутри принтера без слишком большого нагрева, и достаточно горячо, чтобы напечатанные из него модели не расплавились, если их оставить на солнце. После застывания его можно отшлифовать до гладкости или покрасить; Еще одно полезное свойство ABS заключается в том, что в сыром виде он имеет беловато-желтый цвет, но пигменты (цветные химикаты в краске) могут быть добавлены, чтобы сделать его практически любым цветом. В зависимости от типа используемого принтера, вы подаете ему пластик либо в виде небольших гранул, либо в виде нитей (вроде пластиковых нитей).

PLA проще в использовании, чем ABS, и немного более экологичен, хотя он мягче и менее долговечен. PETG — это нечто среднее, по прочности он близок к ABS, его легко формовать, и он относительно легко перерабатывается.

Вам не обязательно печатать в 3D пластиком: теоретически вы можете печатать объекты, используя любой расплавленный материал, который затвердевает и схватывается достаточно быстро. В июле 2011 года исследователи из
Эксетерского университета в Англии представили прототип пищевого принтера, который мог печатать 3D объекты, используя расплавленный шоколад!

дальнейшее чтение

Полимеры для 3D-печати: методы, свойства и характеристики, автор Джоанна Издебска (редактор). Elsevier, 2022.

Преимущества и недостатки

Производители 3D-принтеров утверждают, что они в 10 раз быстрее
других методов и в 5 раз дешевле, поэтому они предлагают большие преимущества для
людей, которым нужны быстрые прототипы за часы, а не за дни. Хотя
высококачественные 3D-принтеры все еще дороги (обычно около 25 000–50 000 долларов), они составляют лишь
часть стоимости более сложных RP-машин (стоимость которых составляет
100 000–500 000 долларов), и
также доступны гораздо более дешевые машины (вы можете купить принтеры в виде набора всего за несколько сотен долларов).
[4]
Они также достаточно малы, безопасны, просты в использовании и
надежны (характеристики, которые сделали их все более популярными в таких местах, как
школы дизайна/инженерии).

Фото: B9Creator™ — типичный бюджетный DIY 3D-принтер.
Изначально он был доступен в виде набора по цене $2495.
Сейчас принтеры B9 продаются в готовом виде
по цене от $10 000 до $25 000. Фото предоставлено Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com,
опубликовано на Flickr в 2012 году
по лицензии Creative Commons.

С другой стороны, качество отделки моделей, которые они производят, обычно
хуже, чем у моделей, произведенных на более дорогих машинах RP. Выбор
материалов часто ограничен одним или двумя, цвета могут быть грубыми,
а текстура может не очень хорошо отражать предполагаемую отделку продукта. В общем, модели, напечатанные на 3D-принтере,
могут быть лучше для грубых, ранних визуализаций новых продуктов; более
сложные машины RP могут использоваться позже в процессе, когда
проекты близки к финализации и такие вещи, как точная
текстура поверхности, более важны.

Фото: Высокопроизводительный 3D-принтер Xerox ElemX Liquid Metal, предназначенный
для печати новых или замены старых металлических компонентов с использованием алюминиевого сплава. Фото Ленни Уэстона предоставлено ВМС США и DVIDS.

Приложения

Для чего можно использовать 3D-принтер? Это немного похоже на вопрос «Сколько
способов можно использовать копировальный аппарат?» Теоретически единственным ограничением является ваше
воображение. На практике ограничениями являются точность модели,
с которой вы печатаете, точность вашего принтера и
материалы, которыми вы печатаете. Современная 3D-печать была изобретена более 30 лет назад,
но она начала по-настоящему развиваться только в последние пару десятилетий.
[5]
Большая часть технологий все еще относительно новая; тем не менее, спектр применения 3D-печати
довольно ошеломляет.

Лекарство

Фото: Пластиковые сердца, напечатанные на 3D-принтере, позволяют хирургам проводить операции без риска.
Модель доктора Мэтью Брамлета. Фотография, являющаяся общественным достоянием, опубликована на Flickr благодаря любезности US NIH Image Gallery и 3D Print Exchange.

Жизнь — это одностороннее путешествие; подверженные ошибкам, стареющие люди с морщинистыми,
разрушающимися телами, естественно, видят большие перспективы в технологии, которая имеет
потенциал для создания сменных частей тела и тканей. Вот почему
врачи были среди первых людей, которые исследовали 3D-печать. Мы уже видели
3D-печатные уши (от индийской компании Novabeans), руки и ноги
(от Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group и
Bespoke) и мышцы (от Корнелльского университета). 3D-принтеры
также использовались для производства искусственных тканей (Organovo), клеток
(Samsara Sciences) и кожи (в партнерстве между косметическим
гигантом L’Oreal и Organovo). Хотя мы еще далеки от того, чтобы иметь
полностью напечатанные на 3D-принтере сменные органы (такие как сердце и печень),
все быстро движется в этом направлении. Один из проектов, известный как «
Тело на чипе»,
реализуемый Институтом регенеративной медицины Уэйк Форест в Северной Каролине,
предполагает печать миниатюрных человеческих сердец, легких и кровеносных сосудов, их размещение на микрочипе и тестирование с использованием своего рода
искусственной крови.

Помимо сменных частей тела, 3D-печать все чаще используется
для медицинского образования и обучения. В детской
больнице Никлауса в Майами, штат Флорида, хирурги практикуют операции на
3D-печатных копиях детских сердец. В других местах эта же
техника используется для репетиций операций на мозге.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Проектирование и тестирование самолетов — это сложный и дорогой бизнес: Boeing
Dreamliner содержит около 2,3 миллиона компонентов! Хотя
компьютерные модели можно использовать для проверки многих аспектов поведения самолетов , для таких вещей, как испытания в аэродинамической трубе,
все равно необходимо изготавливать точные прототипы . И 3D-печать — это простой и эффективный способ сделать это. В то время как коммерческие самолеты строятся в больших количествах, военные самолеты, скорее всего, будут сильно кастомизированы, а 3D-печать позволяет проектировать, тестировать и производить детали в малых объемах или единичные экземпляры быстро и экономически эффективно.

Фото: ВМС США тестируют 3D-принтеры на кораблях с тех пор, как
один из них был установлен на USS Essex в 2014 году. Теоретически, бортовой принтер делает корабль более самостоятельным,
с меньшей необходимостью возить запасные части и материалы, особенно во время войны. Это 3D-печатное снаряжение,
типичное для объектов, которые могут быть напечатаны во время миссии в море. Фото Аарона Хенсона предоставлено Корпусом морской пехоты США и
DVIDS.

Космические корабли еще сложнее самолетов и имеют дополнительный
недостаток, заключающийся в том, что они «изготавливаются» в крошечных
количествах — иногда делается только один экземпляр. Вместо того, чтобы тратить все деньги
на создание уникальных инструментов и производственного оборудования, может быть гораздо
разумнее печатать на 3D-принтере одноразовые компоненты. Но зачем вообще производить
космические детали на Земле? Доставка сложных и тяжелых конструкций в
космос — это сложно, дорого и требует много времени; возможность
производить вещи на Луне или других планетах может оказаться
бесценной. Легко представить, как астронавты (или даже роботы) используют 3D-
принтеры для производства любых необходимых им предметов (включая запасные
части) вдали от Земли, когда бы они им ни понадобились. Но даже
обычные космические проекты, созданные на Земле, могут выиграть от
скорости, простоты и низкой стоимости 3D-печати. Последний
марсоход NASA, поддерживающий людей, использует детали, напечатанные на 3D-принтере, произведенные с помощью Stratasys.

Фото: Запчасти и ремонт — не проблема. Крупный план 3D-принтера Lulzbot Taz 6, используемого для изготовления запасных частей на борту американского военного корабля.
Фото Кристофера А. Велоиказы предоставлено ВМС США и DVIDS.

Визуализация

Создание прототипов самолетов или космических ракет — пример гораздо более широкого применения 3D-печати: визуализация того, как будут выглядеть
новые проекты в трех измерениях. Конечно, мы можем использовать для этого такие вещи, как виртуальная реальность , но люди часто предпочитают то, что они могут увидеть и потрогать. Все чаще 3D-принтеры используются для быстрого и точного архитектурного моделирования. Хотя мы не можем (пока) печатать на 3D- принтере из таких материалов, как кирпич и бетон, существует широкий ассортимент пластиков , и их можно красить, чтобы они выглядели как реалистичная отделка зданий. Точно так же 3D-печать теперь также широко используется для прототипирования и тестирования промышленных и потребительских товаров. Поскольку многие повседневные вещи отливаются из пластика, 3D-печатная модель может выглядеть очень похожей на готовый продукт — идеально для тестирования фокус-групп или маркетинговых исследований.

Персонализированные продукты

От пластиковых зубных щеток до конфетных фантиков, современная жизнь
здесь-сегодня, а завтра-ушел — удобная, недорогая и одноразовая.
Однако не все ценят готовое массовое производство,
поэтому так популярны дорогие «дизайнерские этикетки». В будущем
больше из нас смогут наслаждаться преимуществами
доступных, высоко персонализированных продуктов, изготовленных на заказ по нашим точным
спецификациям. Ювелирные изделия и модные аксессуары
уже печатаются на 3D-принтере. Так же, как сайт Etsy создал
всемирное сообщество ремесленников, несколько лет назад стартап под названием
Zazzy попытался повторить
это с помощью технологии 3D-печати. Благодаря простым онлайн-сервисам, таким как
Shapeways, каждый может изготавливать свои собственные 3D-печатные безделушки, как для себя, так и для
продажи другим людям без затрат и хлопот, связанных с использованием собственного 3D-принтера
(даже Staples теперь предлагает услуги 3D-печати в некоторых своих магазинах).

«Индивидуально изготовленные продукты» — это не просто вещи, которые мы покупаем и используем: еда, которую
мы едим, тоже может попадать в эту категорию. Приготовление пищи требует времени,
навыков и терпения, потому что приготовление аппетитного
блюда — это нечто большее, чем смешивание ингредиентов и разогрев их на плите.
Поскольку большинство продуктов можно экструдировать (выдавливать через сопла), их
(теоретически) можно также напечатать на 3D-принтере. Несколько лет назад
Evil Mad
Scientist Laboratories в шутку напечатали несколько странных объектов из
сахара. В 2013 году обозреватель New York Times
Эй Джей Джейкобс бросил себе вызов и
напечатал целое блюдо, включая тарелку и столовые приборы. В
процессе он случайно наткнулся на работу Хода Липсона из Корнеллского университета,
который считает, что однажды блюда могут быть персонально напечатаны на 3D-принтере, чтобы точно соответствовать
потребностям вашего организма в питании. Что плавно переносит нас в будущее…

Фото: Теоретически, вы можете делать 3D-печать из любого сырья, которое вы можете загрузить в
свой принтер. Вот несколько фантастических 3D-объектов, напечатанных гранулированным сахаром
на «CandyFab 4000» (взломанном старом плоттере HP) от всегда веселых людей
из Evil Mad Scientist Laboratories. Фото предоставлено Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2007 году по лицензии Creative Commons.

Будущее 3D-печати

Многие считают, что 3D-печать возвестит не просто приливную волну
дерзких пластиковых штучек, но и революцию в обрабатывающей промышленности
и мировой экономике, которую она движет. Хотя 3D-печать,
безусловно, позволит нам делать собственные вещи, есть
предел тому, чего вы можете достичь самостоятельно с помощью дешевого принтера и
тюбика пластика. Реальные экономические выгоды, вероятно, появятся, когда
3D-печать будет повсеместно принята крупными компаниями в качестве центральной
опоры обрабатывающей промышленности. Во-первых, это позволит
производителям предлагать гораздо больше кастомизации существующих продуктов,
поэтому доступность готового массового производства будет
сочетаться с привлекательностью единичного, сделанного на заказ ремесленного изделия.
Во-вторых, 3D-печать по сути является роботизированной технологией, поэтому она
снизит стоимость производства до такой степени, что снова станет
рентабельным производить в Северной Америке и
Европе предметы, которые в настоящее время дешево собираются (низкооплачиваемыми людьми)
в таких местах, как Китай и Индия. Наконец, 3D-печать увеличит производительность
(поскольку для изготовления тех же самых вещей потребуется меньше людей), снизив
общие издержки производства, что должно привести к снижению цен и
повышению спроса, а это всегда хорошо для потребителей,
производителей и экономики.

Фото: Два вида печатающей головки (иногда называемой «инструментальной головкой») 3D-принтера.
Фотографии Эшли Маклафлина предоставлены Корпусом морской пехоты США. (Оригиналы
здесь
и здесь.)

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

Компьютерная графика
Лазерные принтеры

На других сайтах

RepRap: Wiki-сообщество для разработчиков технологий 3D-принтеров.

Книги

Начало работы с 3D-печатью: практическое руководство по оборудованию, программному обеспечению и услугам, которые составляют экосистему 3D-печати, Лиза Уоллах Клоски и Ник Клоски. Make, 2021. Доступное практическое руководство с множеством практических советов.
3D-печать для чайников Ричарда Хорна и Калани Кирка Хаусмана. Wiley, 2017. Доступное практическое руководство для начинающих. Название немного вводит в заблуждение: большая часть книги посвящена созданию собственного принтера типа RepRap.
3D-печать: создайте свой собственный 3D-принтер и печатайте свои собственные 3D-объекты Джеймса Флойда Келли. Que, 2014. Очень понятное введение — подходит для абсолютных новичков.
Изготовлено: Новый мир 3D-печати Хода Липсона и Мельбы Курман. John Wiley, 2013. Легко читаемое и доступное введение в современные и будущие применения 3D-печати.
Make: 3D Printing by Anna Kaziunas France. Maker Media, 2013. Простое и понятное введение; хорошее место для начала.
«Makers: The New Industrial Revolution» Криса Андерсона. Random House, 2012. Объясняет, как 3D-печать произведет революцию в мелкосерийном производстве, расширив возможности отдельных «производителей».
Печать из пластика: создайте свой собственный 3D-принтер, Патрик Худ-Дэниел и Джеймс Флойд Келли. Apress, 2011. Практический способ узнать о 3D-печати, написанный в практическом, любительском стиле.

Статьи

3D-печать выходит за рамки своих новаторских корней Стива Лора. The New York Times, 3 июля 2022 г. Неужели 3D-печать наконец-то оправдает свои ожидания как радикально новая форма производства?
Программируемая нить дает даже простым 3D-принтерам возможность работать с несколькими материалами Эвана Акермана. IEEE Spectrum, 29 октября 2020 г. Как заставить простой принтер работать с несколькими типами пластика?
Сначала электровелосипед, потом летающий автомобиль от Tekla S. Perry. IEEE Spectrum, 12 июля 2019 г. Arevo печатает велосипеды на 3D-принтере… и автомобили!
Новый биопринтер упрощает изготовление 3D-плоти и костей Элизы Стрикленд. IEEE Spectrum, 16 мая 2017 г. Обновление современной 3D-медицинской печати.
Сравнение 3D-принтеров: обзор двух 3D-принтеров стоимостью менее 300 долларов США от Tekla Perry. IEEE Spectrum, 27 марта 2017 г. Обзор двух недорогих принтеров.
3D-печать: готовы ли вы к новой децентрализованной промышленной революции? Автор: Сукамал Банерджи, HCL Technologies. Wired, февраль 2015 г. Как 3D-печать повлияет на обрабатывающую промышленность и экономику?
3D-принтеры не конкуренты массовому производству Ника Аллена
и
3D-печать станет производственным двигателем экономики
Дэниела Хамермеша. The New York Times, 12 августа 2014 г. Изменит ли 3D-печать мир?
Здесь предлагаются две совершенно разные точки зрения.
Пересаженная челюсть, сделанная на 3D-принтере, считается первой: BBC News, 6 февраля 2012 г. Как 3D-принтеры сейчас используются в медицине — и взгляд на то, что нас ждет в будущем.
Революционное будущее печати: технологический комментатор Билл Томпсон рассматривает будущее, в котором мы сможем печатать сплошные 3D-объекты одним нажатием кнопки. Из BBC News, 30 апреля 2010 г.

Патенты

Патент США 5,121,329: Устройство и метод создания трехмерных объектов, С. Скотт Крамп, Stratasys Ltd, 9 июня 1992 г. Описывает один из первых в мире 3D-принтеров, использующий метод, который теперь известен как моделирование методом послойного наплавления (FDM).
Патент США 5,204,055: Технологии трехмерной печати Эмануэля М. Сакса, Массачусетский технологический институт. 20 апреля 1993 г.