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.
Какая польза от 3D принтера?
Шумиха вокруг 3D принтеров и 3D печати не стихает, а только разрастается с каждым днем. И вроде сфер применения много, однако не все понимают пользу, которую несет лично для каждого эта технология. У «рядовых» граждан в голове сидят следующие вопросы: Для чего мне это нужно, какова ценность и польза? Зачем мне покупать 3d принтер, если я не являюсь ни дизайнером, ни инженером, ни архитектором, ни конструктором?
Чтобы оценить пользу данной технологии – просто оглядитесь вокруг и найдите все пластиковые предметы вокруг вас. Ну как? Их достаточно много, так ведь? Отныне все необходимые в быту предметы не придется покупать, достаточно просто распечатать это дома. Скачиваете необходимую модель из Интернета и распечатываете ее на вашем домашнем 3D принтере.
Не обязательно быть суровым IT-шником чтобы найти применение этой технологии. Все гораздо проще, чем кажется. Домохозяйки, автолюбители, садовники, рыбаки и охотники, домашние умельцы и их любознательные дети – каждому сможет помочь 3D печать.
Итак, вот список того, что для вас легко напечатает 3D принтер:
Для дома:
1. Пластиковая посуда и контейнеры для хранения пищи, разделочные доски, подставки, формочки
2. Домашняя утварь из пластика (крышки, дуршлаги, корзины, ведра, швабры, совки для мусора, цветочные горшки)
3. Аксессуары для волос (расчески, заколки, шпильки, зажимы, украшения для волос)
4. Абажуры
5. Коробки, банки, бидоны, канистры, бутылки, упаковки
6. Детские товары (игрушки, ракетки, обручи, кубики, модели, конструкторы и прочее)
7. Товары и наборы для школы (линейки, лекала, трафареты, пеналы, счетные палочки, геометрические и молекулярные модели, алфавитные буквы)
8. Статуэтки, сувениры, прочие декоративные товары для интерьера
9. Сменные корпуса, футляры и детали для мобильных устройств: телефонов, ПК, бытовых приборов
10. Фурнитура (дверные ручки, розетки, патроны для светильников, этажерки, крючки, вешалки, пуговицы, кнопки, замки)
11. Сборная, складная и садовая мебель (скамейки, стулья, подставки)
12. Сантехника, трубы, решетки, пробки, соединения
13. Дренажные трубы и очистные сооружения
14. Сланцы, мыльницы, щетки
15. Болты, шурупы, дюбеля, шпонки, прокладки, шайбы, катушки
16. Канцелярские принадлежности
17. Вентиляционные решетки и системы кондиционирования
18. Любые «авторские» детали дизайна интерьера и ландшафта
19. Садовый инвентарь
20 Товары и аксессуары для занятий спортом и активного отдыха
21. Товары для животных (кормушки, поилки, игрушки, приспособления)
22. Экологичная утилизация мусора (что особенно актуально в загородном доме)
23. Большие кубики типа «Лего»
Для автомобилистов:
1. Пластиковые запчасти и аксессуары для автомобилей, мотоциклов, велосипедов и т.д.
2. Подлокотники, дверцы, панели
3. Сложные полимерные детали, напр. лопастные насосы
4. Корпуса для электронных блоков
5. Безграничные возможности для тюнинга (например, уникальную фигурку на капот автомобиля)
6. Трубы, патроны, розетки, крышки, ручки, кнопки
7. Коробки, ящики, контейнеры, канистры, бутылки, упаковки
8. Переключатели, датчики, механические детали
9. Любой срочно необходимый пластиковый предмет
Для мастеров и изобретателей:
1. Колбы, коробки, банки, канистры, бутылочки, пакеты
2. Наглядные 3D модели и диаграммы (например, молекулы)
3. Переключатели, датчики, механические детали
4. Формы для гальванопластики
5. Корпуса для оборудования и ПК
6. Оборудование для биомедицинских исследований
7. Скоростное изготовления прототипов
8. Модели и оборудование для обучения
9. Канцелярские принадлежности
10. Формы для выплавки металлических изделий
11. Фурнитура (ручки, розетки, патроны, крючки, кнопки, замки)
12. Трубы, розетки, патроны, крышки, ручки, кнопки, абажуры
13. Детали, работающие при высокой влажности, в агрессивной среде
14. Стенды
15. Болты, шурупы, дюбеля, шпонки, прокладки, шайбы, катушки
16. Хозинвентарь (совки, швабры, корзины, ведра)
17. Любой срочно необходимый (особенно уникальный) пластиковый предмет
Теперь вы понимаете, какова ценность и польза этой технологии?
• Вы легко воссоздаете недостающую в хозяйстве вещь простым нажатием кнопки на 3D принтере. Никакой потери времени на утомительные поиски по магазинам, стояние в очередях и поездки туда-обратно.
• Быстрая замена или ремонт сломанных частей или предметов. Просто скачали и напечатали.
• Существенная экономия на благоустройстве дома. Предметы интерьера от дизайнеров стоят больших денег. Скачивайте их в интернете бесплатно, печатайте на 3D принтере и делайте ваш дом комфортным и стильным.
• Создание бизнеса — эксклюзивная или мелкосерийная 3D печать на заказ. Ваш домашний 3D принтер значительно быстрее окупится и затем станет приносить вам дополнительный доход. Себестоимость печати – около 3 руб. за грамм пластика. По сути, обладатели 3D принтеров – это владельцы собственной мини-фабрики.
• Безграничный простор для творчества. Теперь все нереализованные ранее творческие идеи найдут свое достойное воплощение.
Как работают 3D-принтеры
Зачем нужны 3D-принтеры
Это индивидуальный подход к предметам, которые можно распечатать когда угодно. Такой принтер может воспроизвести любую деталь, которая может в него поместиться. Печатать можно из пластика — жесткого и мягкого, а также из резины и композитов.
Зачем это бизнесу
Хороший пример пользы 3D-принтеров — напечатанный для больницы детский череп. Он используется для планирования операций в нейрохирургии. На таком черепе врач тренируется оперировать ребенка так, чтобы он провел на операционном столе как можно меньше времени.
Чтобы напечатать сложные детали, такие как человеческий череп, простой физики не хватит: деталь, не будет успевать остыть и «поедет» в процессе печати. Поэтому нужна поддерживающая конструкция, которую печатает второе сопло принтера. То есть из одного сопла идет основной материал, из второго — материал временной поддержки или второй цвет. Когда надо, они переключаются и не мешают друг другу. После того как сложную фигуру напечатали, поддерживающий материал просто растворяют.
Кто покупает 3D-принтеры
Основной покупатель — это бизнес: конструкторы, инженеры, архитекторы, рекламщики, медики. Также принтеры закупают школы.
В России лидер по производству 3D-принтеров — компания Picaso 3D. В Америке на первом месте по популярности находится компания Ultimaker.
Из чего производят чернила для 3D-принтеров
Существует огромное количество материалов, из которых производят нити для печати. Есть даже биоразлагаемые пластиковые нити. Их производят помощью сложной химической реакции из тростника и кукурузы. У биоразлагаемого пластика достаточно высокая прочность, он просто хранится и не вреден для экологии. Правда, деталь из такого материала недолговечна — через пять-десять лет ее нужно будет напечатать заново.
Почему 3D-печать пока массово не распространена
Сейчас развитие 3D-печати упирается в скоростные возможности — пока принтеры не могут печатать товары так же быстро, как их производят станки и пресс-автоматы. На данный момент 3D-печать — это мелкосерийное и среднесерийное производство. С другой стороны, если говорить про серию, то нет смысла печатать — лучше создать пресс-форму, которая легко сделает 10-20 тыс. штук деталей.
Больше информации и новостей о трендах образования в нашем Telegram-канале. Подписывайтесь.
Что такое 3D-принтер и зачем он нужен?
Аддитивные технологии долго шли в массы: институты и исследовательские центры вплотную занимались ими ещё с 80-х годов, и вот настал момент, когда вы можете прикоснуться к хайтеку и освоить 3D-печать прямо у себя дома. Для этого даже не придётся грабить банк: цены на 3D-принтеры сравнялись со средними смартфонами. Разбираемся, как это работает и какие возможности открываются для мейкеров и DIY-энтузиастов!
Зачем нужен 3D-принтер
Принтер весьма пригодится инженерам-самодельщикам. Вам больше не придётся искать универсальный корпус для проекта, а потом сверлить в нём дополнительные отверстия. 30 минут проектирования, несколько часов на печать — и у вас уже готов корпус, который идеально подходит именно под ваше устройство. Сборка из 5 шилдов никуда не влезает? Забудьте о таких проблемах.
Принтер точно поможет в ремонте штуковин по дому. У каждого в жизни случалась ситуация, когда вещь приходилось выбросить, хотя в ней сломалась всего одна пластиковая деталь. С помощью 3D-печати вы сможете легко заменить в приборах редкие пластиковые детали, которые трудно найти отдельно.
Пока вы не научились моделировать пластиковые детали самостоятельно, их можно попросту качать в интернете. Существует множество сайтов с миллионами готовых бесплатных моделей, которыми свободно обмениваются пользователи. Мы посвятили поиску моделей отдельную статью.
Какие бывают 3D-принтеры
Существует несколько основных видов 3D-принтеров, которые кардинально отличаются между собой по принципу работы.
Технология FDM (Fused Deposition Modeling)
Наиболее распространённый тип — FDM-принтеры с послойным наплавлением пластика. Они работают за счёт подвижной печатной головки с нагревательным элементом. В неё подаётся пластик в виде прутка, который плавится и в жидком виде выдавливается на печатный стол. При этом пластик обдувается вентилятором и мгновенно застывает, а головка начинает выдавливать новый слой поверх застывшего.
Технология SLA (Stereolithography Apparatus)
SLA-принтеры работают на основе стереолитографии: вместо пластика здесь используется специальная фотополимерная смола, которая застывает под воздействием ультрафиолетовых лучей. Для печати смола наполняется в ванночку, снизу которой расположен дисплей с ультрафиолетовыми пикселями. На него в течение нескольких секунд выводится рисунок нижнего слоя модели. При этом смола над дисплеем застывает в виде отображаемого рисунка и затем прилипает на специальный подвижный стол сверху. После этого стол с первым слоем приподнимается, и в смоле происходит полимеризация следующего слоя.
Технология SLS (Selective Laser Sintering)
SLS-принтеры используют технологию выборочного лазерного спекания, для которой применяется специальный пластиковый порошок. В процессе печати насыпается тонкий слой порошка, и принтер обрабатывает его лазером, чтобы слой затвердел в соответствии с моделью. Далее насыпается следующий слой порошка и сплавляется с предыдущим — и так по кругу. В конце остаётся лишь очистить готовую деталь от остатков порошка, которые затем можно использовать повторно.
Сравнение технологий
Каждый тип 3D-принтеров имеет свои преимущества и недостатки.
Как подготовить печать
Процесс от зарождения идеи до выхода готовой пластиковой детали несложный — школьник справится. Мы разобрали всё по полочкам в руководстве по 3D-печати на примере принтера Flying Bear Ghost 5, а здесь покажем общий принцип.
Исходная модель
Сначала нужно создать или скачать 3D-модель будущей детали. Как правило, исходники хранятся в формате STL, который описывает полигональную структуру модели в виде множества треугольников. Но сразу отправить подобный файл на принтер не удастся: для успешной печати сперва нужно разбить детальную 3D-модель на слои, которые по зубам принтеру.
Слайсинг
Программа для нарезки моделей (слайсер) потребует от вас самую малость — ввести модель вашего принтера и задать настройки печати: толщину слоя, процент внутреннего заполнения детали, вспомогательные опоры и тому подобное. На основе этих данных слайсер автоматически подготовит специальный код для принтера — G-Code, в котором описано, как нужно двигать печатающей головкой, до какой температуры её нагревать и с какой скоростью выдавливать пластик, чтобы слой за слоем получить желаемую модель. Затем остаётся загрузить этот код в 3D-принтер и запастись терпением до конца печати.
Весь процесс подготовки модели наглядно иллюстрируется программой и снабжается интуитивными подсказками для начинающих пользователей. В общем, не так страшен слайсинг, как его малюют!
Обработка
После того, как модель готова, её можно дополнительно обработать шкуркой или химическим раствором. Это сгладит неровности между слоями, и деталь будет выглядеть прямо как заводская. В интернете немало лайфхаков, которые помогут минимизировать изъяны модели и придать ей улучшенный вид.
Расходники для печати
Свойства напечатанной вещи во многом зависят от сырья. Как мы уже говорили, 3D-принтеры FDM используют в качестве расходника пластиковые нити, и у вас есть огромный простор для экспериментов с разными видами пластика.
Катушки пластика встречаются в продаже на каждом шагу — вам не составит труда выбрать подходящие расходники и комбинировать различные свойства и цвета деталей при печати.
В заключение
Домашняя 3D-печать — это проще, чем кажется. С 3D-принтером под рукой вы сможете создавать любые пластиковые детали, которые придут вам в голову: корпуса, макеты, фигурки и многое другое. Не забывайте, что в вашем распоряжении огромнейшая библиотека моделей, которые выложены в общий доступ в интернете. Сломалась насадка для пылесоса или ограничитель открывания окна? Не проблема! Имея собственный 3D-принтер, вам нужно лишь взять готовую модель из интернета, прогнать через программу-слайсер в пару кликов и отправить её на печать.