Ещё 10–15 лет назад о том, что такое 3D-печать, знали лишь из научно-технических журналов и редких статей в разделе «Технологии будущего». Автор сам впервые узнал о такой технологии около двадцати лет, считая это «новым словом в науке и технике». Которое до рук простых людей, таких как мы с вами, никогда не дойдёт, а осядет в лабораториях крупных научных институтов или производственных предприятий. Возможность оперативного создания дома почти любых деталей из пластика считалась фантастикой.
Но сегодня, в 2024 году, ситуация выглядит по-другому. Это «новое слово в науке и технике» как 3D печать, прочно вошло в наш обиход. 3D принтер стал несложным в обращении, эффективнейшим инструментом не только внутри лабораторий или производств, но и в домашних DIY (Do It Yourself – «сделано своими руками») мастерских в руках радиолюбителей или конструкторов-любителей разной электронной техники. Этому очень помогла популяризация технологии 3D печати среди непрофессионалов, тотальное снижение стоимости комплектующих для самостоятельной сборки «печатных машин», а также появление откровенно недорогих, но функциональных 3D принтеров от китайских фабрикантов.
Ещё одним фактором стало появление на рынке разнообразных расходных материалов, необходимых для процесса печати. Целью первой части статьи является введение в технологию 3D печати, а именно: я расскажу, что такое 3D печать, как она работает, какое оборудование для этого нужно.
Время чтения: 19 минут
3D принтеры? Это очень просто!
Что же такое 3D печать?
Сначала разберёмся, что такое аддитивное изготовление деталей? Это понятие сформировано от англ. add — «добавлять», а означает технологический процесс, когда создают физические трёхмерные детали на основе цифровой электронной модели методом послойного добавления материала. Базовой технологией, используемой для аддитивного изготовления деталей, стала 3D печать.
Есть разные методы и различные материалы для 3D печати, на основе которых печатают детали. Но все они базируются на одном принципе: цифровая электронная модель превращается в управляющую программу для 3D принтера, который создаёт твёрдый трёхмерный физический объект путём добавления материала слой за слоем.
Важно с самого начала отметить, что аддитивное изготовление деталей — это скорее не единый технологический процесс, а набор производственных процессов, сильно отличающихся. Но они имеют три общие характеристики:
- Продуктом является трёхмерный физический объект, созданный путём добавления материала, а не удалением его из заготовки. Как, например, происходит в точении или фрезеровании.
- Объект создаётся последовательным наложением слоёв материала.
- Первооснова создаваемого объекта — его цифровая электронная модель. Печать в «ручном режиме» произвольной детали невозможна принципиально.
Все эти характеристики — общая черта процессов аддитивного изготовления деталей. Она отличает их от обычных «классических» процессов, столетиями применяемых в промышленности. Но аддитивное изготовление работает всегда совместно с этими самыми «классическими» технологическими процессами, в чём-то дополняя их, в чём-то упрощая, убыстряя, удешевляя. Особенно важно его применение для быстрого прототипирования, создания образцов или макетов.
Выделяется несколько методов аддитивного изготовления деталей:
- Послойное наплавление материала (FDM).
- Селективное лазерное спекание порошкового материала (SLS).
- Лазерная стереолитография (SLA).
- Струйная печать полимерной смолой.
- Струйно-порошковая печать керамическими или металлическими порошками с последующим обжигом.
- Плазменное наплавление металла.
- Послойное ламинирование полимерной плёнкой.
- Наплавление трением с непрерывной подачей материала.
Во второй части статьи мы рассмотрим первые три метода как самые распространённые и универсальные.
Как работает 3D принтер?
Процесс печати детали на 3D принтере начинается с создания её цифровой электронной модели. Модель создают в специальных системах автоматизированного проектирования (САПР), к примеру, в Siemens NX или Autodesk Fusion, в художественных 3D редакторах, например, Blender или получают из 3D сканера. 3D сканеры в этой статье рассматривать не будем — они достойны отдельного материала.
Далее созданная или полученная цифровая электронная модель детали подаётся в специальное программное обеспечение, называемое слайсер (slicer, от англ. to slice – «нарезать»), которое, разбивает модель на слои и генерирует плоскую траекторию перемещения печатающей головки 3D принтера на каждом слое и переходы между слоями. Конечным продуктом слайсера является управляющая программа на языке Gcode, который уже десятилетиями является стандартом «де-факто» управляющих программ разнообразнейших станков с программным управлением, коим является из 3D принтер.
Управляющая программа на языке Gcode поступает в 3D принтер с помощью внешнего съёмного накопителя, проводного или беспроводного подключения. 3D принтер пошагово выполняет управляющую программу, куда заложена вся траектория перемещения рабочих органов со всеми режимами, после выполнения которой получается готовая деталь. Технологический процесс 3D печати более подробно будет освещён далее.
Какие преимущества предлагает аддитивное изготовление деталей в сравнении с традиционными технологическими процессами:
- Меньшее количество промежуточных операций между созданием цифровой электронной модели и изготовлением детали. По сути операция всего одна — генерация управляющей программы.
- Высокая степень автоматизации при минимизации ручного труда.
- Возможность создания деталей буквально любой формы, в том числе очень сложной или содержащей внутренние каналы или полости, которые невозможно выполнить «классическими» методами.
- Высокая скорость внедрения и непосредственно создания небольших деталей.
- Низкий уровень отходов.
- В некоторых случаях возможно восстановление повреждённого участка детали на том же оборудовании, что и её полное изготовление.
- 3D принтер является конечным инструментом, после которого деталь используется по прямому назначению. Дополнительных операций с инструментом, как правило, не нужно.
Что такое прототипирование деталей?
Прототипирование — это автоматизированный процесс, позволяющий быстро создавать объёмные прототипы деталей из цифровых электронных поверхностных или твердотельных моделей.
Все техпроцессы поделены на категории:
- Субтрактивный процесс (от англ. subtract — «вычитать»). Примером служит точение или фрезерование.
- Аддитивный процесс (от англ. add — «добавлять»). Суть процесса описана ранее.
- Формовочный процесс. В этом процессе не происходит количественное изменение материала, а лишь видоизменяется его форма. Примерами служит штамповка, вытяжка, волочение и так далее.
Каждый производственный процесс либо целиком попадает в одну из категорий, либо выступает гибридным процессом, попадающим более чем в одну. В производственной сфере эффективность достигается быстрым и недорогим продвижением продукта от концепции до рынка. Прототипирование нужно именно для достижения этой цели.
Важно не превращать понятия «прототипирование» и «3D печать» в синонимы. 3D печать, как метод аддитивного изготовления деталей, — одна из важнейших технологий быстрого прототипирования. Но, справедливости ради, не единственная. Но все технологии, применяемые в прототипировании, объединяет одно: широкомасштабное использование сред автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизация всех операций.
Вот некоторые из распространённых методов быстрого прототипирования деталей:
- Аддитивное изготовление образцов, макетов, имитаторов и так далее.
- Аддитивное изготовление оснастки, в том числе литьевой.
- 3D сканирование.
- Обратная разработка (реверсинжиниринг).
- Обработка на станках с программным управлением.
- Литьё по выплавляемым моделям, изготовленным методом 3D печати.
- Быстрое вакуумное литьё и другие.
Цель прототипирования — отработка разных конструктивных особенностей, идей, концепций, функционала, производительности изделия. В последние годы 3D печать помогает быстро создавать прототипы не только в масштабах домашних лабораторий или мастерских, но также на крупных предприятиях многих областей, в том числе радиоэлектронной, авиационной, космической.
Обзор современных моделей 3D принтеров и материалов
В этом разделе будет представлен обзор популярных сегодня 3D принтеров, использующих метод послойного наплавления материала (FDM), лазерной стереолитографии (SLA), а также расходные материалы для них. Представленные машины с материалами подойдут для создания конструктивных элементов радиоэлектронной аппаратуры или робототехники.
Компания Creality давно вошла в русло производства оборудования для 3D печати и прочно основалась в нише разработки недорогих, но удивительно качественных функциональных принтеров. Не стала исключением модель Ender 3 S1 Pro, объединившая в себе мощь профессионального оборудования с удобством управления любительской моделью.
Этот 3D принтер печатает методом послойного наплавления (FDM), а в качестве материала использует полимерную нить диаметром 1.75 миллиметра. Печатающая головка оснащена системой прямой подачи нити (direct-drive extruder), а также имеет нагревательный элемент высокой мощности с температурой нагрева до 300°C: такие характеристики позволяют Creality Ender 3 S1 Pro выполнять печать практически любыми видами полимеров, включая PLA, PETG, ABS, TPU или другими.
Основой принтера является рама из высокопрочных алюминиевых профильных элементов, в собранном виде образующих практически монолитную конструкцию. Область печати принтера составляет 220*220 миллиметров, а высота печатаемого изделия достигает 270 миллиметров. Такие параметры позволяют печатать как корпуса, узлы или детали электроники, так и предметы декоративного назначения, к примеру, скульптуры, вазы и аналогичные. Приводы осей X, Y оснащены выскокомоментными шаговыми двигателями, а в движение приводятся ремнём на основе изделий фирмы Gates, которая уже более 100 лет выпускает высокопрочные ременные передачи. Привод оси Z оснащён двумя серводвигателями и двумя прецизионными шарико-винтовыми парами с дополнительной связью через ременную передачу. Такая конфигурация приводов осей одна из самых лучших, так как обладает не только высочайшей надёжностью, но и точностью перемещения. Перемещение подвижных элементов принтера производится по рельсовым направляющим с помощью комбинированных резино-металлических роликов с долговечными подшипниками качения.
Отличием машины стало наличие автоматической контактной пробы, определяющей реальное расстояние между печатной головкой и столом. Наличие этой пробы позволяет обезопасить пользователя от неверной настройки расстояния, которая приводит к столкновению печатающей головки и стола и их повреждению, а также позволяет сделать многоточечный обмер стола для выявления особенностей его геометрии, что в итоге положительным образом скажется на качестве печати.
Система управления принтера имеет бесшумные драйверы всех двигателей, оборудована производительным 32-битным микроконтроллером с сенсорным дисплеем диагональю 4.3 дюйма, через который пользователь управляет устройством. Загрузка управляющих программ возможна с карты памяти или через проводное соединение с компьютером.
Creality Ender 3 S1 Pro — оборудование как для дома, так и небольших мастерских для выпуска разных деталей радиоаппаратуры, а также механических элементов робототехники.
Серия нитей из ABS полимера KCAMEL для FDM печати рекомендована немалым числом производителей 3D принтеров для работы с их продукцией. Изготовитель нити сделал состав полимера с удивительно высокой прочностью и неплохой межслойной адгезией. Также преимуществом всех нитей серии стал весьма невысокий уровень коробления и деформации отпечатка при термопечати. При подборе режимов печати конкретно на вашем принтере легко добиться практически полного отсутствия каких-либо геометрических искажений готовой детали.
Удивляет широкая номенклатура доступных цветов нитей, входящих в эту серию. Отдельно выделю полностью прозрачную разновидность, а также плотный глубокий чёрный, белый, серый, бежевый. Ещё есть яркие и сочные жёлтый, красный, зелёный, синий цвета. Но и это не всё: оттенков у этой серии нитей намного больше. С помощью такой «палитры» можно изготовить разные элементы и декоративные изделия с высокой степенью эстетики.
Полимерная нить KCAMEL поставляется исключительно предварительно просушенной в герметичной упаковке, предотвращающей впитывание влаги из воздуха и поддерживающей качество материала. Будьте уверены, что распечатав катушку с материалом и установив её в принтер, вы получите отпечатки превосходного качества.
Компания Anycubic известна в мире: её продукция всегда была на высоте. На высоте и одна из лучших моделей Photon Mono M5s, представляющая собой высокоскоростной станок для сверхвысококачественных 3D отпечатков.
Эта модель печатает методом лазерной стерелитографии (SLA) и материалом в ней служит фотополимерная смола. Оптическая система принтера поддерживает разрешающую способность до 11530 пикселей по оси X и до 5120 пикселей по оси Y (а ведь это точность порядка 19 микрон!), что является поистине выдающимися значениями, мало когда достижимыми бытовыми принтерами. Область печати имеет размер 218*123 миллиметра, а максимальная высота отпечатка ограничена 200 миллиметрами. Но даже эти, пусть и не самые большие габариты, позволяют изготовить множество разнообразных конструктивных элементов радиоаппаратуры, к примеру, корпуса, а также деталей роботов, к примеру, шасси.
Принтер Photon Mono M5s изготовлен из алюминиевых сплавов и высокопрочных пластиков, имеет высокую жёсткость конструкции. Привод оси Z выполнен с помощью шарико-винтовой пары, приводимой в действие высокомоментым шаговым двигателем. Механическое перемещение оси Z происходит по специальным профилированным направляющим из нержавеющей стали, аналогичным тем, что применяются в промышленных станках с программным управлением. Если упростить, то инженеры компании Anycubic грамотно решили задачу, спроектировав машину, отвечающую всем современным нормам качества.
Принтер печатает со скоростью до 105 миллиметров в час с превосходным качеством, что достигнуто жёсткой рамой, высокой мощностью лазерной оптической системы и специальной плёнке в ванне с фотополимером, пропускающей большее количество излучения лазера. Достижение максимальной скорости печати возможно также благодаря фирменной фотополимерной смоле, разработанной специально для этой модели печатных машин (смотри ниже).
Машина оснащена самовыравнивающейся печатной платформой, системой автоматического определения количества смолы в ванне, автообнаружения сбоя при печати, а также выполняет самопроверку оборудования при включении, гарантируя тем самым надёжность и минимизацию количества сбоев при печати. Взаимодействие с пользователем выполняется через цветной сенсорный жидкокристаллический дисплей. Загрузка управляющих программ возможна с внешнего USB-накопителя, через проводное соединение с компьютером, через беспроводное посредством интерфейса Wi-Fi.
Этот 3D принтер я порекомендую буквально всем, кто желает получать отпечатки превосходного качества. Машину применяют как для прототипирования и художественной печати, так и для мелкосерийного выпуска элементов радиоаппаратуры, требующих высокого качества внешнего вида.
Серия фотополимерных смол Anycubic Water Wash Resin+ для SLA печати
Серия фотополимерных смол Water Wash Resin+ компании Anycubic, выпускающей её для загрузки в принтеры собственной разработки, является базовым материалом, для решения разнообразных инженерных и дизайнерских задач. Состав смолы — это смесь синтетических мономеров и олигомеров, обладающих под воздействием ультрафиолетового излучения затвердевать, образуя крепкие межмолекулярные связи. Проще говоря, детали, изготовленные из смол серии Water Wash Resin+ будут высокопрочными, а в сочетании с высокой разрешающей способностью технологии лазерной стереолитографии, помимо прочности, получат идеальное качество поверхности и неплохой внешний вид в целом.
Особенностью смол этой серии стала лёгкость очистки отпечатков обычной водой, так как их состав имеет водорастворимую основу. Это более чем достаточный аргумент для мастеров, кто только осваивает метод лазерной стереолитографии и не готов к множеству этапов постобработки отпечатков.
Смолы этой серии имеют несколько вариантов окраски, включая прозрачный, белый, серый и чёрный. В качестве итога скажу, что недорогая, но удивительная по своим качествам и возможностям фотополимерная смола Anycubic Water Wash Resin+ будет полезна как новичкам печати методом лазерной стереолитографии, так и профессионалам, выпускающим первоклассные прототипы корпусных изделий радиоаппаратуры и конструктивных элементов робототехники, так и для печати декоративных изделий с высокой степенью эстетики.
Читайте продолжение статьи во второй части !
Ещё пару десятилетий назад печать трёхмерных объектов была на одном уровне с другими «яркими представителями научной фантастики». Например, путешествием во времени или телепортации. Но сегодня уже очень многие имеют 3D принтер в офисе или дома и изготавливают на оборудовании детали собственной разработки. Не чудо ли? Если даже не чудо, то огромный прорыв и подспорье тем, кто разрабатывает радиоэлектронную аппаратуру и конструирует роботизированные устройства.
