для чего используется 3д принтер
3D-принтеры: зачем они нужны и как они работают
Поскольку обычные 2D-принтеры уже утратили потенциал к развитию — развито уже всё, что только можно и нельзя — пора обращать взоры к печати в трёхмерном пространстве. Признайтесь, ведь вы не раз мечтали, чтобы можно было не покупать себе вещи, а просто напечатать их. И сегодня это уже можно, правда, с массой оговорок.
3D-принтеры сегодня в моде. Выпущено уже несколько сотен моделей, только это ни о чем не говорит: все они работают в основном по одному и тому же принципу, и даже «фирменное ПО» используют одинаковое, отличающееся подчас только цветом кнопочек. Подчеркиваем, что мы говорим о моделях дня сегодняшнего: такие принтеры быстро эволюционируют, и уже завтра (или через месяц) может выйти на рынок что-нибудь революционное и сногсшибательное.
Итак, что же такое 3D-принтер для домашнего использования? Это устройство, использующее метод послойного изготовления физического объекта из виртуальной 3D-модели. Первые принтеры такого типа появились еще лет 30 назад, и на сегодняшний день представлены десятком разных типов. Перечислять мы их не будем, а пристальное внимание обратим на один, самый доступный обычному пользователю тип сегодня: FDM 3D-принтер. FDM расшифровывается как «моделирование методом наплавления» (Fused Deposition Modeling).
Принцип действия FDM-принтера прост: раздаточной головкой на поверхность охлаждаемой платформы-основы выдавливаются капли находящегося в разогретом состоянии термопластика. Быстро застывая и слипаясь между собой, капли формируют слои создаваемого объекта. Так и получается в итоге объемный предмет, с которым потом что-нибудь можно сделать.
Зачем?
Первое, что нужно для себя понять — а зачем, собственно, нужен 3D-принтер? Что мы хотим — просто развлекаться и создавать модели и макеты? Использовать принтер для ведения бизнеса? Воплощать творческие фантазии? Бизнес, конечно, оценил 3D-печать давно: такие мировые промышленные гиганты, как Airbus, Boeing, General Electric, Ford, Siemens, NASA используют их постоянно; и это не говоря уже об инженерах, ученых, медиках и огромном количестве мелких предпринимателей.
Дома 3D-принтер открывает широчайшие возможности использования и применения своей фантазии, и поскольку самые дешевые модели стоят от 20 тыс. рублей и выше, они доступны практически каждому человеку с компьютером.
Применений на самом деле можно найти массу. Кто-то задумает сделать себе стол с макетами, воссоздающие какую-нибудь область реально существующую или фантастическую (скажем, поверхность планеты из «Звездных войн»). Кто-то напечатает себе солдатиков и вспоминает детство. А кто-то печатает паззлы детям, придумывая все новые и новые варианты. К тому же можно создать работоспособный макет чего-то более сложного.
В общем, резюмируя, можно выделить несколько основных преимуществ 3D-принтеров: домашнее творчество, использование более сотни различных типов материалов (не только огромное количество самых разнообразных пластиков и полимерных смол, но и металлы, бумага, керамика, ткань, пищевые продукты, соль, лунный и марсианский грунт и даже живые клетки!), универсальность и снижение трудоёмкости (один принтер может заменить несколько сложных агрегатов), простота в использовании (об этом мы поговорим далее), экономичность, быстрота создание объектов и гибкость технологии.
Кстати, в сферу применения можно включить и медицину: инновационная биомедицинская печать сможет предложить в ближайшем будущем искусственные органы и ткани тела, а сегодня уже можно печатать протезы и хирургические имплантаты.
Предположим, вы купили себе 3D-принтер, он стоит и занимает места примерно столько, сколько обычный принтер (или, скорее, МФУ), и далее нужно создать в специальной программе объект для печати. А программ таких множество: Google SketchUp, 3DCrafter, 3Dtim, BRL-CAD, FreeCAD и другие (тысячи их). Желательно, конечно, хоть что-нибудь понимать в CAD-моделировании, но и без этого программы достаточно просты для применения даже новичками.
После смоделированной 3D-версии наступает время её обработки специальной программой (называемой также «слайсером» или «генератор G-кода»). Исходный объект делится на множество тонких горизонтальных слоев и преобразуется в некий цифровой код, понятный 3D-принтеру. Другими словами, генератор создает набор команд, которые указывают 3D-принтеру, как и куда нужно наносить материал при 3D-печати данного объекта. Для пользователя данный этап работы не скажет ничего, потому что фактически принимать участие в нем он в нем не сказать чтобы будет.
А потом наступает волнительный момент печати (кстати, в Windows 8 есть даже поддержка драйвера 3D-печати для принтера MakerBot). Начинается построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала.
Сам по себе процесс довольно прост. В самом начале рабочая платформа находится в верхнем положении, а печатающая головка накладывает на неё нижний слой объекта. После того, как сформирован первый слой, рабочая платформа опускается на толщину слоя, и печатающая головка накладывает новый слой материала на предыдущий. Данный цикл повторяется до последнего слоя, то есть до момента завершения создания объекта.
Висящий в воздухе подбородок Ленина был напечатан на недорогом 3D-принтере с подпоркой,
которая в дальнейшем будет отломана, а подбородок – подрихтован.
Если же есть необходимость напечатать висящий в воздухе объект (например, гарцующую лошадь), то сегодня для таковых используется разнообразные подпорки, которые после завершения процесса отламываются или отрезаются, а место стыка шлифуется вручную. В дорогих (то есть хороших) принтерах для подпорок используется водорастворимый материал: после печати модели опускается в воду, где лишние подпорки растворяются.
Параметры печати
О скорости пока речь и не идёт. Понятно, что создание одного объекта займет далеко не один час работы принтера, поэтому выбор 3D-принтера сегодня состоит в выборе между параметрами и решении, насколько тот или иной параметр важен.
И самый главный из них — разрешение печати. Здесь под этим понятием подразумевается минимально допустимая высота слоя материала, с помощью которого может печатать данный 3D-принтер. Разрешение печати принято обозначать в микрометрах (мкм, микрон, тысячной доле миллиметра). Понятно, что чем тоньше слои, тем меньше заметен переход между ними: в итоге поверхность объекта более гладкая, а детали — более выразительные. Обратная сторона высокого разрешения — увеличенное время печати, большая нагрузка на печатающие механизмы и быстрый износ. Разрешение печати зависит от технологии работы принтера, точности печатных механизмов, выбранного материала и настроек приложения.
На сегодняшний день самый точный 3D принтер может печатать с высотой слоя в 50 мкм.
Вторая важная характеристика — рабочий объём (он же — «область печати» или «зона печати»). От него зависит размер напечатанного объекта. Фактически он обозначает зону досягаемости (охвата) печатающей головки принтера в трех плоскостях.
Третий пункт — какими типами пластиковых нитей может печатать принтер. Самыми распространенными на сегодняшний день являются ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полилактид). Некоторые принтеры могут печатать обоими типами, некоторые — только одним из них. Но кроме этих двух типов есть и другие (ещё парочка самых распространенных — HIPS — ударопрочный полистирол и PVA — поливинилацетат), и все они обладают рядом физико-химических характеристик: растворимость в воде, гибкость, структура и запах, прочность и даже свечение в темноте. Возможность печати тем или иным пластиком обуславливается наличием/отсутствием подогрева платформы (который в идеале должен присутствовать), рабочим диапазоном температур экструдера (нагревательный элемент, который плавит пластик) и конструкцией камеры для печати. В идеале лучше всего выбирать принтер с максимальным количеством поддерживаемых нитей, чтоб не ограничивать себя — как сейчас, так и в будущем.
А последний пункт, как ни странно, — страна-производитель. Сейчас на российском рынке можно найти модели из США и Европы, китайские и российские. Американские и европейские модели зачастую завозят в Россию небольшими партиями, а сами компании-производители не имеют официальных представителей в России. Качество китайских моделей на порядки отстаёт от всех прочих, понятное дело, и тут выигрыш идёт больше уже в цене.
Производители
Помимо китайских и кустарных принтеров (да, его реально собрать дома самостоятельно), есть несколько моделей, которые популярны больше остальных, и поэтому их поддержка программным обеспечением максимально широка, если можно так говорить о столь новой области. На сегодняшний день это модели MakerBot Replicator 2, PrintBox3D One, Picaso Designer, UP Plus 2, Cube и CubeX. Отличия у каждого из них сводятся к перечисленным в предыдущем параграфе пунктам, размерам камеры и различным дополнительным опциям наподобие Wi-Fi-модуля. Помимо этих моделей, есть, конечно, и другие, но опять-таки нельзя сказать, что они сильно отличаются с технической точки зрения: всё-таки это больше страна-производитель, размеры, скорость печати и количество поддерживаемых типов пластика.
Вот такие они, поворотные принтеры
Напоследок нужно сказать про поворотные 3D-принтеры. Они пока что совсем никакой популярностью не пользуются, но у них есть всё-таки ряд существенных преимуществ по сравнению с «традиционными» 3D-принтерами — если последние можно так назвать. Главное из них — 3D-принтер с поворотной платформой обеспечивает больший рабочий объем по сравнению с устройствами, работающими в декартовой системе координат. Такой принтер использует полярную систему координат (радиус и угол), чтобы рассчитать движение печатной головки: система автоматически конвертирует модели, созданные в декартовой системе координат, в полярные координаты. Поэтому с подобным 3D-принтером можно использовать стандартное ПО, использующееся в «традиционных» 3D-принтерах без поворотной платформы. Физически это выглядит вполне очевидно: платформа вращается, а его экструдер движется по радиусу платформы от её центра к краю. Такая конструкция в два раза сокращает путь экструдера и снижает необходимость его поддержки.
Недостатки 3D-принтеров
Минусы есть у всего, и 3D-принтеры — не исключение. Поэтому на сегодняшний день у технологии существует определенное количество недостатков.
И первый из них — это, наверное, размеры печати. Вы видите на фотографиях «шкафчики» этих принтеров — и вот именно ими всё и ограничивается. Принтер может напечатать только то, что поместится на платформе. А что-то больше этого — разве что по частям, а затем части придется тем или иным образом склеить. И даже несмотря на то, что уже сейчас существует прототип 3D-принтера, размеры рабочей платформы которого практически не ограничены ничем, о массовом внедрении такой технологии говорить пока рано.
Второй недостаток касается самой технологии. Послойная структура сама по себе означает, что между этими слоями всегда будет некий рубеж, переход: поверхность останется матовой и шероховатой. Конечно, последующая обработка может «сгладить углы» во всех смыслах, но эта «доработка напильником» явно не говорит в пользу технологии. К тому же, слоистая структура означает меньшую плотность и, соответственно, меньшую прочность объекта, по сравнению с цельными деталями.
Третий недостаток — достаточно высокая цена 3D-принтеров на сегодняшний день. Они стоят от 20 тысяч рублей, а хорошая модель стоит в среднем 100 тысяч, и пока подешевение не ожидается.
Так покупать или нет?
Формально покупка 3D-принтера для дома сегодня оправдана только в том случае, если вы можете определить для себя сферу его применения. Выбор моделей достаточно широк, энтузиасты могут собрать принтер даже у себя дома, но тем, кто не хочет сильно рисковать, можно порекомендовать выбрать или одну из самых популярных моделей, которые поддерживаются распространенным и доведённым до ума программным обеспечением (и при этом можно выбрать из десятков приложений). Если же покупка такого необычного агрегата у вас не стоит остро, можно попробовать подождать годик-другой, пока технология не разовьётся достаточно для того, чтобы унифицироваться по максимуму и избавиться от массы неудобных ограничений, которые свойственны ей сегодня.
В любом случае, будущее у технологии весьма радужное и применение она себе уже нашла: а в будущем сферы применения будут только шириться.
Подводные камни 3D-печати: всем ли нужен такой принтер
Маркетологи наперебой расписывают достоинства 3D-принтеров, работающих по FDM-технологии. Однако действительно ли счастливый покупатель становится обладателем «волшебной коробочки», способной воспроизвести любую пластиковую деталь, или это все-таки инструмент DIY, как гравер или прибор для выжигания, и будет полезен не всем?
FDM или Fused deposition modeling (а также FFF или Fused Filament Fabrication) — метод аддитивного «выращивания» объектов, на основе которого построены почти все современные «бытовые» 3D-принтеры. Методика подразумевает послойное «выращивание» объекта из расплавленного пластика, подающегося в виде прутка.
Идея изначально была запатентована, но срок действия патента истек и после этого на рынок хлынули недорогие 3D-принтеры самых разных производителей — от именитых американцев до безымянных китайцев — на любой вкус и кошелек. Кто-то выбирает по бренду — однако если у вас есть познания в электронике и желание решать возникающие проблемы самостоятельно (без технической поддержки производителя), можно сэкономить, приобретя кит-комплект или вообще собрав принтер с нуля по одной из сотен опубликованных моделей.
Бочка меда
Технология FDM действительно впечатляет. Сегодня речь идет уже не просто о средстве для быстрого прототипирования для дизайнеров и архитекторов. По сути, имея трехмерную модель объекта, мы можем воспроизвести его в домашних условиях, при необходимости изменив масштаб или немного доработав его в редакторе. К примеру, можно скачать модель крепления для телефона в автомобиль и масштабировать ее под собственное устройство. Или же с нуля нарисовать любую бытовую деталь — от абажура на лампу до дверной ручки, не говоря уже о всяких мелочах вроде самодельных креплений к GoPro, элементов детских конструкторов и т.п.
Конечно, 3D-печать не может заменить конвейер с массовым производством — скорость послойного формирования деталей из пластика невысока, поэтому один «типовой» принтер может обслужить в лучшем случае только запросы своего хозяина. Но задачи обскакать существующие технологии производства и не стоит. 3D-печать правит там, где нужна максимальная кастомизация и серийное изготовление было бы категорически нерентабельным. Поэтому она очень полюбилась поклонникам DIY в самых разных сферах и т.п. По-сути 3D-принтер — это и есть инструмент DIY.
Бытовая 3D-печать сейчас испытывает взрывной рост. Технология FDM — довольно простая, а сообщество энтузиастов уже разработало несколько типовых конструкций подобных принтеров, отличающихся методами подачи прутка и кинематикой. На базе этих типовых конструкций создаются как фирменные принтеры, так и десятки, если не сотни самоделок, отдельные детали или даже полные кит-комплекты к которым можно купить на Ebay или AliExpress.
Дегтя… тоже бочка?
Казалось бы, технология обкатывается, дешевеет, при этом на нее уже существует нешуточный спрос. Не это ли залог скорого грандиозного успеха на массовом рынке (как это уже происходило с мобильными телефонами, цифровыми фотоаппаратами, а немногим ранее — и компьютерами)? Не пора ли покупать?
Как нам кажется, торопиться не стоит. Технология FDM довольно капризна, и пока ей далеко до того, чтобы стать эдаким «цифровым фотоаппаратом» или «стиральной машиной» в руках несведущего пользователя. Почти на каждом углу здесь приходится применять инженерную мысль. Справедливости ради стоит отметить, что если с инженерной мыслью у вас все в порядке, то возможности 3D-печати действительно огромны. Но лучше заранее знать, на что вы «подписываетесь».
Обработка стола и модели
Послойное нанесение чего-либо требует специальной подготовки моделей и поверхности, на которой осуществляется печать, плюс нужна будет постобработка деталей.
Принтер поставляется со стеклом или столиком из металла — не любой материал прилипнет на них без дополнительных ухищрений (и не любой потом отлипнет без нарушения геометрии модели). PLA-пластиком можно печатать на столе без подогрева, используя покрытие из синего скотча — особо прочного малярного скотча от 3M, который теперь предприимчивыми пользователями был переквалифицирован в «скотч для 3D-печати». Подавляющему же большинству термопластиков нужен как минимум подогрев стола, а иногда и дополнительные клеевые покрытия (лак, клей, пиво, сироп из ацетона и т.п. — протестированных пользователями вариантов существует масса). Поиск подходящего именно этому принтеру (и пластику) покрытия — путь экспериментов и ошибок. Придется испортить не одну модель, прежде чем найдется тот самый оптимальный вариант.
Но печатью первого слоя проблемы не ограничиваются. Нить из расплавленного пластика не может висеть в воздухе, соответственно, на сильно выступающих частях (например, деталях с обратным уклоном) необходимы поддержки, которые по окончании печати потребуется срезать, как-то обрабатывая место среза, чтобы не было острых краев. Надо отметить, что и самая обыкновенная вертикальная стенка после 3D-принтера не будет идеально гладкой (будут заметны как минимум границы слоев, а может и другие дефекты). Так что постобработка потребуется почти всем деталям, для которых важны качества поверхности.
Не все пластики хорошо поддаются постобработке. Тем, кто печатает много и разными материалами, дома придется завести целый набор растворителей, ручной инструмент и т.п. (как и тем, кто активно развлекается DIY). Кстати, при этом часть пластиков еще и токсична при печати — так что нужны закрытые корпуса, вытяжки и т.п.
Особенности расходников
Характеристики результата сильно зависят от расходных материалов
Проблемы с качеством могут определяться не только заводским браком, но и вполне «штатными» особенностями используемого материала: например, некоторые типы пластика гигроскопичны (впитывают воду из окружающей среды). Если не хранить такой пластик в плотно закрытых пакетах с силикагелем, пруток становится хрупким, может ломаться при подаче, издавать при печати странные звуки, плохо ложиться на модель и т.п.
В целом даже если качество материала на высоте (нет очевидных проблем), для печати определенным пластиком подходит не любая модель. Одни материалы хрупкие и не позволяют печатать тонкие стенки, другие — наоборот, хорошо расслаиваются в объеме.
Каждый пластик имеет свою оптимальную температуру печати. При ее превышении ухудшается детализация и появляются поверхностные дефекты. В обратной ситуации плохо спекаются слои. Точно так же существуют оптимальные толщина слоя, параметры ретракта (обратного движения нити) и прочие подобные параметры.
Многие огрехи печати можно «скомпенсировать», уменьшив скорость. Но правильно говорят, что главная проблема — не напечатать объект, а сделать это за разумное время. Поэтому для объектов больше спичечного коробка придется разбираться с оптимальными настройками для каждого пластика.
Сложностей добавляет то, что детальные настройки не подскажут «коллеги» на форуме — оптимальные параметры во многом определяются самим принтером: насколько хорошо у него откалиброван сенсор температуры; используется ли удаленная подача нити и т.п. Плюс конечные цифры могут отличаться у одного и того же пластика разных производителей, а также у катушек разных цветов от одного производителя.
«Фокусы» принтера
Капризничать умеет и сам принтер. У каждой из существующих на рынке конструкций есть свои недостатки. Где-то моторы, которые должны быть идеально синхронизированы, работают немного не так; где-то — колеблется стол во время печати на высокой скорости; где-то слишком большой вклад дает вес печатающей головки. Точно так же есть и «больные места», которые вылезут вне зависимости от того, самосборный ли это принтер, китовый или купленный в виде «черного ящика от производителя». В первых двух случаях вероятность получить глюки несколько выше, но и фирменное происхождение не избавляет устройства от «типовых» болезней.
В среднестатистическом 3D-принтере довольно много движущихся частей, а механика имеет свой ресурс работы. В одних устройствах снашиваются пластиковые шестерни, в других постепенно перекусывается фитингом тефлоновая трубка и т.п. Рано или поздно такие небольшие огрехи начинают сказываться на результате печати. Увы, но универсального FAQ, помогающего по итоговому результату выловить проблему, нет. Тут как в старых автомобилях — надо искать коллег по несчастью, штудировать форумы и надеяться, что с этой проблемой уже кто-то сталкивался. Или — как вариант — выяснить, какой из узлов виноват в проблеме, и полностью его перетрясти. Но это уже в большей степени напоминает постройку собственного принтера с нуля.
Программные ошибки
До того, как десятки метров прутка превратятся в жизнеспособный объект, модель должна пройти процедуру слайсинга — нарезки на слои с учетом технических характеристик принтера — размера сопла, толщины слоя и т.п. Слайсер может «наломать дров», если изначальная модель не замкнута (бывает так, что на простейшей модели получаются дыры — в самом прямом смысле). Для «лечения» моделей существуют онлайн сервисы и инструменты в специализированном ПО, но не всегда они справляются с поставленной задачей. При этом они и сами вполне могут «потерять» какие-то детали.
Откровенно говоря, слайсер может ошибиться, даже если модель совершенно нормальная, а виной тому — округление. Если шаг резьбы вала по какой-то оси не пропорционален толщине слоя, при слайсинге будет накапливаться погрешность округления, которая на модели проявляется в форме рифленой поверхности.
Если же говорить более глобально, основная проблема потребительской 3D-печати в существующем варианте — отсутствие обратной связи при выращивании модели: принтер просто не видит, что именно он печатает. Существуют датчики температуры, застревания нити и другие инструменты, но внешний вид модели не оценивается никак. Единственная обратная связь идет через пользователя, по-своему трактующего происходящее.
В итоге 3D-принтер сегодня — это не совсем бытовая техника. Его нельзя сравнить с обычным принтером и тем более какой-нибудь стиральной машиной. Представляете, если б для удачной стирки одежды вам необходимо было в ходе экспериментов подбирать частоту вращения барабана машины, меняя ее через прошивку? Да, для некоторых это действительно было интересно, но вряд ли для большинства.
3D-принтер ближе всего к электроинструменту. Это отличное средство создания объектов, но им надо уметь пользоваться. К сожалению, на данный момент эта мысль не совсем ясно читается в рекламе некоторых 3D-принтеров — в результате появляется вполне заметная доля разочаровавшихся покупателей, ожидавших чудес из научной фантастики, а получивших неиспользуемую подставку под барахло дома.
Будущее
На мой взгляд, в будущем у технологии 3D-печати все же есть шанс стать по-настоящему бытовой. Во-первых, FDM стремительно развивается: совершенствуются прошивки, добавляются новые датчики и т.п. Одновременно с этим в геометрической прогрессии растут объемы русскоязычной документации, вполне доступной для понимания неспециалистами.
Во-вторых, на потребительский рынок в прошлом-позапрошлом годах начали выходить принтеры, работающие по другой технологии — методу лазерного спекания (SLS), благо патентные ограничения на SLS закончились в 2014 году. Однако пока стоимость устройств превышает 5 тыс. долларов США. Так что пока, говоря о потребительской 3D-печати, мы все же подразумеваем FDM со всеми сопутствующими проблемами.