Наводиться коротка історія розвитку 3D друку, розглядаються основні елементи 3D принтерів, дається інформація про витратні матеріали, що використовуються в 3D принтерах, пояснюються основні принципи роботи. Перелічені основні характеристики декількох 3D принтерів цінового діапазону вище $ 1000..
В останні роки в зв'язку з виникненням ринку недорогих домашніх настільних 3D принтерів почала набирати популярність друк тривимірних об'єктів. Комерційні 3D принтери з'явилися ще в кінці минулого століття, але через високу ціну і великих розмірів вони були недоступні для пересічного користувача. Одним з піонерів в області тривимірного друку стала компанія 3D Systems. Її засновник, Чарльз Хулл (Charles W. Hull), розробив технологію пошарового вирощування тривимірних об'єктів з фотополімеризуються складу, яка отримала назву стереолітографія. Патент на неї було отримано в 1986 році. Перший 3D принтер компанія випустила вже в 1987 році. Незабаром почали з'являтися нові 3D принтери інших компаній, таких як DTM, Stratasys, Z Corporation, а також нові технології друку тривимірних об'єктів. До них можна віднести моделювання методом наплавлення (FDM), пошарове ущільнення (SGC), селективне лазерне спікання (SLS), електронно-променеву плавку (EBM) і ряд інших менш популярних технологій.
Проект RepRap, по суті, почав революцію в 3D друку, яку порівнюють з революцією 1970-х років в комп'ютерній сфері. У той час стали з'являтися перші загальнодоступні персональні комп'ютери. Нинішня революція створила цілий ринок недорогих настільних 3D принтерів, на якому представлена велика кількість різноманітних моделей таких фірм, як 3D Systems, Z Corporation, Dimension, MakerBot, Ultimaking, EOS, Cubify та інших. Найбільш помітні моделі будуть розглянуті в цьому матеріалі нижче, а поки варто торкнутися загальні питання, пов'язані з настільними 3D принтерами, щоб краще зрозуміти, що вони з себе представляють.
Основні елементи 3D принтера
Домашні 3D принтери, як правило, складаються з наступних основних елементів: рами, що друкує елемента, платформи, крокових двигунів з направляючими і електроніки.
Подвійний друкує елемент: вид з верхнього (зліва) і нижнього (праворуч) ракурсів.
- Рама є конструкційної основою принтера, на якій безпосередньо кріпляться напрямні з двигунами і встановлюється електроніка для управління процесом друку. Рама може являти собою набір різьбових шпильок, з'єднаних пластиковими деталями, як, наприклад, в моделях RepRap, а може бути основою для повноцінного корпусу, виконаного, в основному, з листів металу, фанери або оргскла.
- Друкує елемент (Малюнок 2) - серце 3D принтера. Він складається з екструдера і модуля, який називається hot end (гарячий кінець). Екструдер призначений для прийому витратного матеріалу і проштовхування його для подальшого плавлення. Як правило, він складається з корпусу, двигуна, шестерень, притискного ролика і штовхає болта з насічками. Hot end виконує роль термобарьерамі і складається з нагрівача, термістора і сопла. Зазвичай в безпосередній близькості до друкувального елементу розташовують вентилятор для оптимального охолодження. Деякі моделі принтерів можуть містити два або навіть три друкуючих елемента.
- Платформа, яка називається також площиною для друку, кареткою або столом, визначає розміри друку по осях X і Y. Платформа може бути як з підігрівом, так і без, що визначає тип придатного для друку матеріалу.
- Двигуни (Малюнок 3), направляючі, а також різні ремені і шестерні дозволяють переміщати друкує елемент і платформу відповідно до необхідних координатами по осях X, Y і Z. Використовуються крокові двигуни, в основному моделі з моментом утримання 2 - 5 кг / см.
- Електроніка в 3D принтерах є, як правило, плату з керуючим мікро контролером і плату для управління кроковими двигунами. Наприклад, в принтерах сімейства RepRap в якості керуючої плати використовується Arduino Mega 2560. а обертати двигуни дозволяє плата RAMPS з встановленими на ній драйверами крокових двигунів. Оскільки RepRap є відкритим проектом, вся документація на ці плати знаходиться у відкритому доступі. Досить популярною є також плата Sanguinololu, що представляє собою поєднання Arduino-клона Sanguino і контролера двигунів Pololu. Також набули широкого поширення плати Generation Electronics різних версій.
Більшість принтерів підтримує друк двома видами термопластика: ABS і PLA. ABS-пластик (Акрилонітрілбутадієнстірол) є продуктом нафтохімічної промисловості і характеризується підвищеною стійкістю до ударів і довговічністю. Він не токсичний і не має запаху. Також він стійкий до мийних засобів і лугів. Однак, його температура плавлення досить висока - приблизно 220 - 240 ° С. Хоча ABS-пластик є найпоширенішим витратним матеріалом для настільних 3D принтерів, його підтримують далеко не всі представлені на ринку моделі. Основний недолік використання такого пластика - необхідність підігріву платформи. ABS застосовується для виготовлення деталей автомобілів, корпусів побутової техніки, меблів, канцелярських виробів, сантехніки, іграшок та сувенірів.
Другим за популярністю вважається PLA (полілактид). Це екологічно чистий продукт, сировиною для виробництва якого можуть служити такі поновлювані харчові ресурси, як кукурудза, цукровий очерет, цукровий буряк. Температура плавлення цього пластика становить 170 - 180 ° С. Для друку таким матеріалом не обов'язковий підігрів платформи. PLA також характеризується високою міцністю і надійністю. Але при впливі сильних навантажень деталі з ABS і PLA поводитимуться по-різному. Деталь з PLA буде піддаватися деформації, тобто гнутися і стискатися, в той час як модель з ABS буде тріскатися, тобто руйнуватися. Основним недоліком PLA є його недовговічність. Оскільки він виготовляється з натуральних матеріалів, життєвий цикл надрукованій моделі не перевищує 1 - 2 років, після чого вона почне розкладатися. PLA застосовується головним чином для виробництва посуду.
Крім перерахованих видів термопластика, в деяких моделях можуть використовуватися також такі: PVA (полівінілацетат), PCL (полікапролактон), PP (поліпропілен) і HDPE (поліетилен).
Принцип роботи настільних 3D принтерів
Налаштування друку в слайсери ReplicatorG.
Після отримання G-коду модель відправляється на друк. Безпосередньо перед друком принтер нагріває друкує елемент до необхідної температури і потім починає шар за шаром формувати модель, видавлюючи екструдером в hot end пластик, де він розплавляється і виходить назовні. Час створення об'єкта залежить, в першу чергу, від таких факторів, як, швидкість переміщення головки, розмір моделі і коефіцієнт заповнення цієї моделі пластиком.
Принтери, представлені на ринку (вартістю вище $ 1000)
У цьому розділі будуть наведені описи і технічні характеристики найбільш поширених настільних 3D принтерів, представлених сьогодні на російському ринку. Це допоможе кінцевому користувачеві зорієнтуватися при покупці такого пристрою, оскільки різні моделі мають різну швидкість друку, товщину шару і робочу область, а діапазон їх цін досить широкий. 3D принтери будуть представлені в порядку убування ціни. Слід враховувати, що зазначені нижче ціни встановлені виробниками або їх безпосередніми торговими представниками, і у вітчизняних магазинах можуть бути збільшені на 50% - 150%.
- Розмір робочої області (CubeX / CubeX Duo / CubeX Trio): 275/230/185 × 265/265/265 × 240/240/240 мм
- Товщина шару: 0.1 мм
- Похибка по осях X і Y: +/- 1%
- Швидкість друку: 15 мм 3 / с
- Габарити: 51.5 × 51.5 × 59.8 см
- Вага (CubeX / CubeX Duo / CubeX Trio): 36/37/38 кг
- Вартість (CubeX / CubeX Duo / CubeX Trio): $ 2799 / $ 3299 / $ 4399
Принтер (Малюнок 6) розроблений компанією MakerBot [3]. Він є вдосконаленою версією вже знятої з виробництва MakerBot Replicator, до якої, проте, виробник постачає деталі і надає технічну підтримку. Replicator 2 отримав багато схвальних відгуків, а також нагороду від журналу MAKE. Його висока точність друку, відносно велика робоча область, висока швидкість роботи і невелику вагу виправдовують досить високу вартість. Однак підтримка тільки PLA є істотним недоліком даної моделі. Сьогодні вже доступна модель MakerBot Replicator 2X, яка не сильно відрізняється від Replicator 2 за технічними характеристиками, однак, має поліпшену конструкцію екструдера, що робить завантаження пластика більш зручною, спеціально оброблену платформу, оптимізовану для якісного друку ABS, і продумане охолодження, що дозволяє моделі остигати рівномірно . Слід зазначити, що принтери серії MakerBot Replicator стали настільки популярними, що китайська компанія MBot 3D [4] пропонує трохи змінені копії Replicator (випускається під назвою MBot Cube) і Replicator 2 (випускається під назвою MBot Cube 2) вартістю $ 999 і $ 1399..
- Розмір робочої області: 285 × 153 × 155 мм
- Товщина шару: опціонально 0.1 / 0.27 / 0.34 мм
- Похибка по осях X / Y / Z: 0.011 / 0.011 / 0.0025 мм
- Швидкість друку: 90 мм / с
- Габарити: 49 × 32 × 38 см
- Вага: 11.5 кг
- Вартість: $ 2199. Replicator 2, $ 2799 Replicator 2X
Принтер Ultimaker (Малюнок 7), розроблений нідерландською компанією Ultimaker B.V. [5], має високу точність друку, більшу швидкість переміщення робочих органів, підтримує друк PLA і ABS. Також можливий друк PCL, HDPE і PP. Ultimaker є принтером з відкритим програмним і апаратним забезпеченням, тобто потенційно його може зібрати кожен. Принтер підтримує подвійний екструдер, що дозволяє друкувати двоколірні моделі різними матеріалами.
Створений голландською компанією Felix Printers [6], цей принтер (Малюнок 8) пропонує високу якість при оптимальній ціні. Він має досить велику область друку, але при цьому відрізняється малою вагою за рахунок відкритої конструкції. В якості витратного матеріалу можна використовувати ABS, PLA і нейлон. Крім того, його хвалять за практично безшумну роботу.
- Розмір робочої області: 255 × 205 × 235 мм
- Товщина шару: 0.05 мм
- Швидкість друку: 54 см 3 / ч
- Габарити: 45 × 50 × 53 см
- Вага: 6.7 кг
- Вартість: € +1399 в зібраному вигляді, € 999 за набір
Легкий принтер UP! Plus (Малюнок 9) китайської компанії PP3DP [7] здатний друкувати як ABS, так і PLA. На жаль, UP! Plus має ряд істотних недоліків, які роблять інші рішення в цьому ціновому діапазоні більш конкурентоспроможними. До основних недоліків можна віднести невисоку швидкість друку, низьку точність і малий розмір робочого простору. Крім того, користувачі даного принтера часто скаржаться на погано продуманий нагрів платформи, що приводить при друку до закручюванню країв моделі, невелику жорсткість рухомих елементів, що призводить до необхідності частих калібрування, а також на засмічення друкуючої головки. Однак, UP! важить всього 5 кг, що робить його одним з найлегших 3D принтерів на ринку.
- Розмір робочої області: 140 × 140 × 135 мм
- Товщина шару: опціонально 0.20 / 0.25 / 0.30 / 0.35 / 0.40 мм
- Похибка по осях X і Y: 0.2 мм:
- Габарити: 24 × 26.6 × 35.5 см
- Вага: 5 кг
- Вартість: $ 149
- Розмір робочої області: 28 см в діаметрі, 35 см у висоту
- Товщина шару: 0.1 мм
- Точність позиціонування: 0.01875 мм
- Швидкість друку: 300 мм / с
- Вартість: $ 1000 в зібраному вигляді, $ 799 за набір
