3D-принтеры: ваш билет в мир трехмерной магии

Рис.1 Современный 3D-принтер

Технология 3D-печати позволяет создавать практически любые объекты для разных сфер жизни и бизнеса. Это могут быть игрушечные модели автомобилей, дома, велосипеды и даже двигатели для самолетов. А печатают детали и изделия на специальных 3D-принтерах. В нашей статье как раз о них и пойдет речь. Мы рассмотрим, какие бывают виды устройств, их принцип работы и правила выбора. Также поговорим о подготовке к эксплуатации и ошибках, которых лучше избегать.

Виды бытовых принтеров

Оборудование для трехмерной печати можно условно разделить на 2 большие группы: профессиональное и бытовое. Промышленное используется при серийном производстве, а любительское можно встретить в гаражах и домах энтузиастов, оно проще в эксплуатации и доступнее по цене. Если говорить о разновидностях именно бытовых моделей, то самыми важными критериями являются принцип работы и материал, который используется при изготовлении деталей и изделий. Поэтому есть два вида принципиально разных устройств – это филаментные и фотополимерные принтеры.

Фотополимерные

Основным сырьем для печати выступает фотополимерная смола, причем вариаций пластика очень много, они отличаются по гибкости, ударопрочности, цвету, бывают глянцевые и матовые. Среди достоинств данного типа техники стоит отметить высокую точность, отсутствие швов, небольшое время изготовления объекта. Это позволяет создавать максимально детализированные детали, хотя стоимость их выше, по сравнению с филаментными моделями.

Филаментные

Здесь используется тонкий пруток твердого пластика. Технология обеспечивает высокую скорость печати, девайсы не нуждаются в тонкой настройке, есть возможность апгрейда. Из недостатков обязательно следует отметить слабую детализацию, повышенный риск деформации изделий. В целом, такие принтеры более привлекательны в свете невысокой стоимости, поэтому подробнее поговорим про устройство именно филаментных моделей.

Устройство филаментных моделей

У разных производителей техника может иметь другое обозначение, например, FFF и PJT, что обусловлено конкретным способом печати: наплавление нити или послойное наплавление пластика соответственно. Состоят все агрегаты из таких частей и узлов:

• экструдер;
• фидер;
• печатающая головка;
• столик;
• каркас.

Также сюда входит блок питания, электронная начинка, системы охлаждения и нагрева.

Экструдер

Без преувеличения, главный элемент любого 3Д-принтера. Его главная задача – наплавление пластика слой за слоем. Принцип работы практически идентичен клеевому пластиковому термопистолету. Бывают 2 вида экструдеров, имеющих довольно принципиальные отличия:

1. Директ-экструдер.
2. Экструдер Боудена.

В первом случае за счет меньшего расстояния подачи и отката повышается точность, а также скорость печати. Устройство Боудена более компактное, тут горячий и холодный концевики разделены. Размеры этой детали небольшие, а значение колоссальное. Состоит экструдер из нескольких механизмов.

Фидер

За подачу и откат (ретракт) пластика отвечает фидер. Важно правильно настроить процесс ретракта, чтобы избежать дефекта деталей. Механизм состоит из двух шестерен, их движение обеспечивается приводом. По тефлоновой трубке филамент поступает к печатающей головке.

Печатающая головка

Ее еще называют Hot End. В нагревательном блоке пластик расплавляется и через сопло подается далее. Важную роль играет система охлаждения, состоящая из двух вентиляторов. Первый охлаждает радиатор, исключая расплавление филамента раньше времени. Второй вентилятор охлаждает уже полученную трехмерную модель. Самый популярный диаметр сопла 4 мм. Чем меньше показатель, тем точнее будет печать, и наоборот.

Рис.2 Печатающая головка

Движение печатной головки обеспечивает каретка. Есть несколько вариантов ее конструкции:

• валы с линейными подшипниками;
• профиль с роликами;
• рельсовые направляющие.

Первый вариант наиболее распространенный. Рельсовые направляющие более точные и надежные, но встречаются, в основном, в дорогих моделях. Главный недостаток валов с линейными подшипниками – это значительный люфт, но тут вы сами можете отрегулировать ход и крепление. Профиль с роликами также может люфтить, но устранить люфты еще проще, для этого понадобится специальный ключик.

Каркас и столик

От каркаса также зависит точность процесса, ведь чем больше точек опоры, тем меньше люфт. Поэтому в моделях с одной точкой опоры качество печати минимальное. Модель прикрепляется к столику, его обычно изготавливают из стекла со специальным покрытием. Также достаточно популярны конструкции из алюминия со спецпокрытием. Есть еще вариант со съемным металлическим листом, он крепится с помощью магнитов. От покрытия столика зависит степень адгезии напечатанного объекта, чтобы он надежно прилипал. По окончании процесса фигурку открепляют. Если это съемный лист, то усилия потребуются минимальные. На других поверхностях необходимы специальные приспособления по типу шпателя.

Со временем покрытие изнашивается, появляются следы и царапины, иногда пользователи даже прожигают поверхности. Чем интенсивнее использование, тем чаще придется менять покрытие столика. Если в процессе печати возникает высокая температура, рекомендуется использовать боросиликатное стекло.

Полезно знать. Нередко в роли покрытия применяют обычное стекло, но на него наносят канцелярский или ПВА-клей, лак для волос и др.

Не во всех моделях есть функция подогрева стола, что негативно сказывается на адгезии и не только первого слоя. В результате изделие отлипает и происходит смещение, а значит брак. В таких 3D-принтерах лучше использовать пластик PLA, он менее прихотливый.

Бокс

Оптимизации температурного режима поможет огораживание металлическими листами или помещение устройства в специальный бокс. Это позволит не только держать нужную температуру, но также исключит воздействие сквозняков, которые негативно сказываются на конечном качестве трехмерных объектов.

Рис.3 Бокс для принтера

Управление устройством

Работу принтера обеспечивает микрокомпьютер, вся информация выводится на дисплей, энергией электронику обеспечивает блок питания. В старых и бюджетных моделях для управления используются кнопки, лампочки, переключатели. В новых устройствах все манипуляции выполняются пользователем на сенсорном экране.

Типы 3D-принтеров. Декартова система печати

Главное разделение 3Д-принтеров осуществляется по принципу движения экструдера, большинство моделей имеют картезианскую кинематику (декартова). Она основана на всем известной системе координат Рене Декарта, где:

• X – ширина;
• Y – глубина;
• Z – высота.

Самые распространенные типы оборудования, работающие на декартовой кинематике – это Пруша и HBot. Есть еще несколько категорий устройств с другим принципом работы: дельта, SCARA, полярная кинематика. Но это более сложные технологии, на них подробнее остановимся в других материалах.

3Д-принтеры Пруша

Названы в честь своего создателя, поляка Йозефа Пруша, первую модель он собрал в 2012 году. В этих принтерах стол движется вперед и назад, реже влево и вправо. По праву считаются самой доступной и распространенной категорией девайсов. Печатающая головка движется по всем осям координат, кроме Y, то есть влево-вправо и вверх-вниз. Одновременно с этим столик перемещается вперед-назад. На каждой оси движения работает отдельный шаговый двигатель, причем для оси Z иногда устанавливают сразу 2 мотора. Модели Пруша легко собирать, обслуживать и даже улучшать/ремонтировать.

Еще один весомый плюс работы техники заключается в том, что за процессом печати можно наблюдать и в любой момент остановить. Это положительно сказывается на экономии пластика. К недостаткам некоторые относят сложность помещения в закрытый корпус. Также из-за постоянного перемещения столика модели габаритные, имеют большую парусность, но менее устойчивые, да и к качеству печати могут возникнуть вопросы. Часть недостатков можно нивелировать корректировкой настроек и ограждением агрегата от сквозняков. 

Существуют еще модели 1/2 Prusa – это консольные принтеры, считающиеся самыми компактными. Здесь только одна вертикальная стойка, поэтому ширина меньше фактически в 2 раза. А вот качество печати существенно страдает из-за такой конструкции. Иногда приходится даже заменять комплектующие на более надежные, так что при покупке именно такого устройства важно оценить все параметры.

Makerbot

Makerbot или HBot имеют принципиальные отличия в технологическом процессе. Здесь столик ходит по оси Z (вверх-вниз), а экструдер только по осям X и Y в горизонтальной плоскости. В движение каретку приводит зубчатый ремень, он всего один и натянут через сложную систему роликов. Двигателей два – шаговые, согласованные между собой. При установке двух ремней HBot превращается в CoreXY, где провисание и растяжение ремней минимальны.

Рис.4 Устройства HBot

Недостаток Makerbot – это возможный перекос по оси Х, что вызвано наличием только одного ремня. Зато преимуществ гораздо больше, в частности, выше качество печати за счет прочного каркаса, также обеспечивается стабильность работы по всему пространству. Комплектация большинства моделей включает защитный короб. По сравнению с Prusa такие 3D-принтеры дороже и габаритнее, но результаты работы и надежность выше.

Подготовка оборудования к работе

Выбор достойного устройства – это только первый шаг на пути к получению трехмерных объектов. Очень важно правильно организовать технологию процесса, в первую очередь, собрать, подключить и настроить принтер. Сборка обязательно должна осуществляться по инструкции, ведь ошибки могут привести к поломкам, на которые не будет распространяться гарантия. Есть разные вариации продажи техники:

1. Разобранная.
2. Полусобранная.
3. Полностью собранная.

При минимальном опыте в 3Д-печати рекомендуем покупать уже собранный агрегат. При этом от вас все равно потребуется проверить надежность подключения узлов, контактов и крепления.

В комплектацию, как правило, входит тестовый пластик для проверки работы. Его необходимо установить, подключить к экструдеру и запустить аппарат. Перед стартом процесса идет калибровка стола в меню управления. Также нужно выставить расстояние от сопла до поверхности стола. Данный параметр крайне важен. Оптимальным считается расстояние, когда сопло придавливает лист бумаги А4, который можно вытащить, а вот обратно вставить уже невозможно. В некоторых моделях производители предлагают тестовые листы в комплекте. 

В случае неправильной калибровки филамент не будет выдавливаться или сопло застрянет, что приведет к повреждению поверхности столика. Также возможно отсутствие адгезии и начало печати в воздухе. Одним из важнейших моментов работы 3D-принтера является создание первого слоя изделия. Поэтому рекомендуем проводить процедуру калибровки с нагретым соплом и столом, держа в уме расширение тела при нагреве (главное не прожечь покрытие).

Второй ключевой параметр – выставление температуры экструдера и столика. В таблице мы привели рекомендации диапазона температуры для разных видов пластика:

Табл.1 Настройки температуры для печати 

Точные цифры зависят от рекомендаций производителя и цвета прутка, так что на первых порах придется в данном вопросе экспериментировать и подбирать индивидуальные параметры.

И вот, наконец, можно отправлять на печать тестовую модель. Обычно флешка предоставляется вместе с принтером. Для печати других объектов уже понадобится знание специальных программ-слайсеров. Они несложные, там создаются макеты 3D-моделей и далее преобразуются в файл. Кто-то использует фирменный софт, но чаще пользователи прибегают к универсальным программам, где большинство функций бесплатны, их более 10 и у каждой свои особенности. Алгоритм работы максимально понятен:

1. Скачивание модели.
2. Открытие в слайсере.
3. Выставление параметров.
4. Нарезка на слои.
5. Сохранение на SD-карту.

Потом карту необходимо вставить в 3D-принтер и запустить процедуру.

В заключение

Как видите, 3D-принтеры – это сложные устройства, работа с ними требует определенных знаний и подготовки. Но технология печати по праву считается одной из самых перспективных отраслей, а значит спрос на нее продолжит расти. К тому же, создание объектов является невероятно увлекательным процессом и позволяет раскрыть в себе творческий потенциал. Зная нюансы работы и выбора принтеров, вы сможете подобрать девайс, с помощью которого можно будет заниматься любимым делом в режиме хобби или даже запустить небольшой бизнес-проект.