logo

Sunday, 12 March 2017 04:07

ПУТІВНИК ПО 3D-ДРУКУ

Доктор Немо, Radio Lemberg, 12.03.2017 

 

Сьогодення вимагає орієнтуватися в багатьох ніби непотрібних речах, одна з них - 3D друк. Далі-короткий путівник по 3D друку, в якому описано принципи роботи та перераховано основні види технології швидкого прототипування.

 

Що таке 3D друк? 

 

Винайдений науковцем на ім’я Чак Гулл в далекому 1986 році, 3D друк – процес читання цифрової віртуальної 3D моделі з наступною побудовою фізичного об’єкта. У той час, як Гулл заснував найбільшу компанію в світі, його винахід працював виключно на технології, названої стереолітографією (SLA). З тих пір були розроблені численні альтернативні технології 3D друку, такі як Моделювання методом наплавлення (FDM), Наплавлення нитки (FFF), Вибіркове лазерне спікання (SLS), PolyJetting і багато інших, хоча всі вони базуються на пошаровому створенні об’єктів. 

 

Перший у світі 3D принтер

Перший 3D принтер “SLA-1”, 1983 рік.

 

Незважаючи на безліч технологій 3D друку, найбільшого поширення набули SLA і FDM через невисоку вартість і порівняльну простоту принтерів.  

 

Як працює 3D принтер? 

 

Щоб дійсно зрозуміти як працює 3D принтер, розберемо окремі технології, які задіяно в 3D друці. 

 

Як двигуни автомобілів схожі між собою, але одні працюють на бензині, дизельному паливі, а деякі й зовсім на сонячній енергії, також і 3D принтери використовують різні технології, але в підсумку виконують ті ж самі функції. Ось основні принципи передачі віртуальної 3D моделі на комп’ютері до 3D принтера. 

 

3D-друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення (вирощування) твердого об'єкта. 

 

Застосовуються дві принципові технології: 

 

  • Лазерна:
    • Лазерний друк — ультрафіолетовий лазер поступово, піксель за пікселем, засвічує рідкий фотополімер, або фотополімер засвічується ультрафіолетовою лампою через фотошаблон, мінливий з новим шаром. При цьому він твердне і перетворюється на досить міцний пластик.
    • Лазерне спікання — при цьому лазер випалює в порошку з легкосплавного пластику, шар за шаром, контур майбутньої деталі. Після цього зайвий порошок струшується з готової деталі.
    • Ламінування — деталь створюється з великої кількості шарів робочого матеріалу, які поступово накладаються один на одного і склеюються, при цьому лазер вирізає в кожному контур перерізу майбутньої деталі.
  • Струменева:
    • Застигання матеріалу при охолодженні — роздавальна голівка видавлює на охолоджувану платформу-основу краплі розігрітого термопластика. Краплі швидко застигають і злипаються один з одним, формуючи шари майбутнього об'єкта.
    • Полімеризація фотополіменого пластику під дією ультрафіолетової лампи — спосіб схожий на попередній, але пластик твердне під дією ультрафіолету.
    • Склеювання або спікання порошкоподібного матеріалу — те ж саме що і лазерне спікання, лише порошок склеюється клеєм, що надходить із спеціальної струменевої голівки. При цьому можна відтворити забарвлення деталі, використовуючи сполучні речовини різних кольорів.

 

Перший етап – підготовка моделі до 3D друку 

 

Форма віртуальної моделі задається сіткою, всередині якої знаходиться цілісний об'єкт. У файлі з моделлю записані координати кожної вершини цієї фігури (точки перетину ліній сітки), таким чином описується, на якій відстані один від одного знаходяться основні точки тіла. 

 

Програма 3D принтера називається слайсер (від англійського “slice” – різати), розрізає тривимірні моделі на окремі плоскі шари, які потім будуть надруковані один за одним. У програмі вказують швидкість і точність друку, температуру та інші параметри. Налаштування передаються спеціальними командами у форматі GCODE, які виконує 3D принтер. 

 

Скриншот 22-07.2015

Приклад GCODE, в якому вказані координати переміщення друкуючої головки по трьох осях

 

Після підготовки 3D моделі дані передаються на 3D принтер, завантажуючи необхідний тип пластика і приступають до друку. Команди GCODE передаються принтеру або безпосередньо з комп’ютера через звичайний USB кабель, з можливістю корегування процесу в реальному часі, або створивши спеціальний * GCODE файл, в якому буде весь необхідний перелік команд, що дозволяє принтеру підготуватися до друку, надрукувати модель і завершити друк самостійно.

 

Моделювання плавленням (Fused Deposition Modeling — FDM) 

 

Моделювання методом наплавлення (FDM) було винаходом Скотта Крампа через кілька років після того, як Чак Гулл запустив лазерний 3D друк. Крамп в 1990 році заснував компанію Stratasys, яка запатентувала цю технологію під брендом FFF. Тому найпопулярніша технологія 3D друку FDM часто називається Fused Filament Fabrication (FFF)

 

схема роботи екструдера 3д принтер

 

Принцип, за яким працює ця технологія, досить простий. Саме тому 95% всіх настільних 3D принтерів використовують FDM або FFF. Пластик, такий як PLA або ABS, у формі нитки подається в екструдер, серце принтера. У екструдері пластикова нитка розігрівається і переходить у рідкий стан. Механічні частини принтера слідують командам з файлу GCODE і переносять екструдер в потрібне положення строго за вказаними координатами. Коли екструдер досягає задану позицію, пластик виходить з гарячого сопла, приклеюючись до столу принтера або до попередніх щарів.

 

процес 3д друку

 

Через секунди після друку пластик твердне і надрукована модель стає жорсткою. Важливо стежити за правильною температурою пластика, столика принтера і повітря в приміщенні, інакше через нерівномірне остигання в деталях можуть накопичуватися внутрішні напруження, що призведе до деформації або втрати міцності.

 

Друк FDM підходить для наступних видів пластику:

  • ABS-пластик (термопластична смола);
  • PLA-пластик (екологічно чистий пластик);
  • HIPS-пластик (дуже міцний пластик);
  • PC-пластик (твердий полімер, здатний пропускати світло);
  • Laywoo-D3 (полімер);
  • Laybrick (імітує текстуру пісчанику);
  • PVA: PVAc и PVAl (добре поглинають вологу, можуть розчинятися у воді);
  • нейлон (легкий та гнучкий пластик).

 

Етапи друку із застосуванням технології FDM:

  1. Моделювання виробу, додавання необхідних текстур.
  2. Друк плавленим пластиком шляхом екструкції (видавлювання).
  3. Постобробка: за допомогою ацетону поверхня виробу робиться гладкою.

 

Конструкції підтримки 

 

Оскільки 3D принтер друкує моделі пошарово, для кожного нового шару необхідна опора на попередній, інакше новий шар пластику виявляється в повітрі і прогинається. Іноді форма моделей така, що нависає над іншими частинами моделі без достатньої опори, в таких випадках програма принтера автоматично додає конструкцію підтримки з матеріалу, який розчиняється в спеціальній рідині. Після друку конструкція підтримки видаляється.

 

Видалення пластика підтримки

Видалення пластика підтримки

 

Внутрішнє наповнення і товщина стінок моделей 

 

Залежно від необхідної міцності виробу, встановлюється різна ступінь заповнення внутрішнього простору моделі. Починаючи від заповнення 0%, коли принтер друкує тільки оболонку моделі, і закінчуючи заповненням 100%, коли деталь повністю заповнена пластиком. Для прототипів раціонально використовувати заповнення 20%, зі збільшенням заповнення зростає і вага виробу, разом з ним вартість 3D друку, зі зменшенням деталь стає занадто крихкою.

 

внутренее заповнення моделей infill в 3д друку

Зовнішній вигляд заповнення 10%, 30% і 50%.

 

Товщина стінок деталі регулюється окремо. Для великих деталей вона зазвичай становить 1 міліметр.

 

Технологія SLA або стереолітографія 

 

Це була перша технологія 3D друку, яка була винайдена в 1986 році компанією 3DSystems, власником багатьох патентів. Технологія була дорогою і використовувалася рідше, ніж альтернативна FDM або FFF. 

 

В основі SLA 3D друку лежить дія проектора або лазера на рідкий фотополімер. Лазерний промінь спрямовується на зону, де будуть розташовані стінки моделі. Під впливом променя рідина твердне, після чого готові шари піднімають над рівнем рідини і процес повторюється, поки всі щари моделі не будуть надруковані.

 

3д печать sla процесс

 

Технологія SLS або вибіркове лазерне спікання 

 

Дана технологія спікає матеріали за допомогою потужного лазера. Шар за шаром лазер малює на поверхні порошку проекцію моделі в розрізі. Під впливом лазерного променя, окремі частки матеріалу спікаются, утворю цільну модель. Технологія дозволяє працювати з пластмасами, керамікою, склом, воском, мталами та іншими компонентами. У випадку з металами, лазер спікає суміш металевого порошку і спеціального клею. Після закінчення 3D друку металом, готову модель поміщають у піч, яка остаточно сплавляє частки металу і випалює з’єднуючий клей. 

 

Така технологія друку в десятки разів дорожче FDM, оскільки ціна комплектуючих, витратних матеріалів та самих принтерів істотно дорожча. Такі принтери вимагають дбайливого догляду і практично неремонтопридатна. При друку фотополімером моделі потребують додаткової обробки – полімеризацію в спеціальній камері, де під дією ультрафіолету модель остаточно затвердіє. Що ми отримуємо натомість? – Точність, в 4-5 разів більшу, ніж у FDM технології, а так само можливість виготовляти тонкі і крихкі моделі зі складними нависаючими елементами, які неможливо відтворити за допомогою FDM.

 

Що можна зробити на 3D-принтері? А практично все.

 

Швейцарський інженер Крістоф Лаймер (Christoph Laimer) успішно виготовив годинник з турбійоном, який складається з 3D друкованих шестерней, механізмів і компонентів. Деталі були створено в домашніх умовах на принтері Ultimaker 2: для друку корпусу використовувався міцний і гнучкий матеріал PETG, а внутрішні механізмів, що друкувалися за допомогою PLA. Дизайн годинника, який складався з 50 окремих деталей, було розроблено в програмі Autodesk’s Fusion 360. Більшу частину деталей була надруковано товщиною 0,1 мм і це не вимагало підтримок і доопрацювань. Однак деякі з тонших і дрібніших частин, такі як шестерні, було надруковано завтовшки 0,06 мм. Пружину пускає в хід швейцарський анкерний спуск, який вбудований всередині турбійона і працює протягом 35 хвилин, перш ніж його знову необхідно буде заводити. 

 

КОНСТРУКЦИЯ 3Д ПЕЧАТЬ ЧАСОВ С ТУРБИЙОНОМ

 

Гляньте на цей швейцарський механічний годинник з турбійоном, надрукований на 3D принтері – найкраща ілюстрація поєднання технологій минулого та інновацій! 

 

части часов с турбийоном напечанные на 3d принтере 

Відео тут: https://youtu.be/Go8woPGOggg 

 

качсы с турбийоном напечатанные на 3d принтере

 

Коротке резюме: Фантазії отримали справжній інструмент креативності

 

Картинки по запросу види 3d друку

 

Схоже в даній категорії: « PREVIOUS Статті NEXT »

100 LATEST ARTICLES

AUTHORS & RESOURCES

Archive of articles