Что такое 3D-печать?

В последние годы 3D-печать получила много внимания, обещая изменить производство и полностью уничтожать то, как мы производим товары. Как и во многих возникающих разрушительных технологиях, большая часть освещения в популярной прессе преувеличена, она больше похожа на репликатор Star Trek, чем на реальные процессы.

Тем не менее, независимо от того, претендует ли какая-либо более глупая претензия или нет, для дизайнеров 3D печать действительно предлагает мучительную перспективу: возможность создавать объекты без ограничений традиционного производства, возможность даже создавать объекты на вашем столе без традиционного создания или инженерных навыков.

В конце этой статьи вы познакомитесь с терминологией 3D-печати и получите представление о том, какой метод лучше всего подходит для вас. Сначала мы обсудим три наиболее распространенных технологии, а затем некоторые варианты проектирования модели.

Технологии 3D-печати

Было бы неправильно думать о 3D-печати как о единой технологии. Вместо этого это набор технологий, следуя общей идее добавочного производства, основанной на программном обеспечении.

Итак, что такое добавочное производство? Многие технологии производства начинаются с блока материала и выборочно удаляют его, пока мы не останемся с нужным объектом. Добавочное производство превращает это в свою идею, начиная с чистого холста и добавляя только то, что требуется для конечного объекта.

Сама по себе эта присадка не является чем-то особенным - детские замковые замки на пляже используют присадочное производство. Это дополнение использования цифровых технологий для надежного и точного результата, что делает 3D-печать особенной.

Как правило, это работает путем нарезки объекта, который мы хотим создать в тонкие секции, и создания этих срезов по одному, уложенных друг на друга. Подумайте о строительстве пирамиды как серии квадратных зданий, каждая из которых меньше, чем последняя, чтобы сделать 3D форму.

FDM: экструдирующие нити

Первый метод, на который мы будем смотреть, - это FDM, Fused Depositional Modeling или FFF, Fused Filament Fabrication, если мы хотим избежать товарных знаков. Он основан на «экструзии» нити материала, то есть нагревании до точки, в которой он может быть сжат через сопло, создавая еще более тонкую нить. Это сопло перемещается по поверхности, рисуя контур среза, который мы хотим создать, затем заполняя этот контур образцом материала.

Поскольку материал является горячим, поскольку он экструдируется, он связывается с любой уже уложенной нитью, образуя сплошной кусочек материала. После завершения сопло перемещается на небольшое расстояние и начинает выдавливать следующий слой.

Это техника, которую вы найдете в большинстве 3D-принтеров для любителей, как правило, с материалом ABS или PLA. Эта технология создает «деревянную зернистую» поверхность с небольшими канавками между каждым слоем (хотя это можно удалить шлифованием, полировкой или паром ацетона). Несовершенная калибровка машины может привести к тому, что будут выступать нити накала в некоторых местах или капли расплавленного материала.

Техника может бороться с нависающими фигурами. Так как он строится поверх слоя ниже, все нависающие вытесняются ни на что, кроме воздуха! Пока нам не нужно слишком сильно нависать, материал будет поддерживать себя, и не просачиваться слишком сильно. Тем не менее, коммерческие машины решают это с помощью материала носителя, который экструдируется со второй головки, выполненной в виде эшафот для поддержки любых выступов, которые впоследствии могут быть защелкнуты или растворены. Есть некоторые попытки любителя повторить это, но они, как правило, менее надежны.

SLA: установка смол

Следующий метод, Stereolithography или SLA, опирается на фоточувствительные смолы, фотополимеры, материалы, которые изменяются от жидкости к твердому при воздействии света (обычно ультрафиолетового). Открывая каждый срез объекта на поверхности тонкого слоя жидкости ультрафиолетовым (УФ) светом, мы можем сделать твердыми только те части, которые хотим. Эта отверделая смола неоднократно заливается другим тонким слоем жидкости, а затем подвергается воздействию УФ-излучения в форме следующего кусочка модели, оставляя закаленную 3D структуру после того, как мы сливаем жидкость.

Метод УФ-экспозиции отличается: некоторые принтеры SLA используют лазер, управляя им по поверхности, чтобы нарисовать срез, в то время как другие используют DLP-проектор, чтобы подвергать воздействию весь слой одновременно.

SLA более легко производит более плавное, более высокое разрешение печати, но имеет может быть более дорогостоящим. Он имеет ту же проблему с выступом, а части, как правило, строятся на эшафоте, изготовленном из той же смолы, что и построенный объект, что требует довольно много очищающего шлифования.

Многие печатные издания типа «модельный» в профессиональном мире 3D-печати имеют тенденцию использовать эту технику, и в настоящее время существует много фотополимеров, имитирующих разные материалы. До недавнего времени патенты ограничивали эту технику профессиональными машинами, но машины, доступные для любителей, появились за последние годы, и с этим, также появились более дешевые смолы. Это говорит о том, что в технике используются зловещие химикаты с ограниченным сроком службы, поэтому я не думаю, что это полностью заменит FDM в сфере хобби.

SLS: плавление лазерами

Самые лучшие 3D-принтеры снова используют лазер, но на этот раз при более высокой мощности, как плавильные, так и спекая порошки вместе (спекание - это когда вы нагреваете материал, достаточный для слива его вместе, но недостаточно для полного его расплавления в жидкость).

Эти порошки могут представлять собой пластмассы технического назначения, такие как нейлон или даже металлы, позволяя 3D печать деталей, подходящих для машин. Если вы видите новостную статью о гоночных командах Формулы-1 или производителях ракет, использующих 3D-печать, это будет тот тип, который они имеют в виду. Очень высокое разрешение и очень сильный, но обычно довольно дорогой.

Эти типы машин обычно используются в качестве альтернативы традиционным инженерным технологиям и, хотя и дорогостоящие, могут быть дешевле традиционных методов для одноразовых или небольших производственных циклов.

Другие технологии 3D-печати

Эти три технологии никоим образом не являются исчерпывающими. Вы можете получить принтеры, которые наносят капли воска, производя модель, которая может быть отлита в форму для металлов (часто используется для ювелирных изделий). Вы можете использовать технологию, подобную струйному принтеру, поверх чашки порошка, для нанесения связующего и пигментов, делая полноцветные модели. Или очень похожая технология, за которой следует остекление, чтобы сделать керамику (тарелки, чашки и т. д.). Еще более специализированные 3D-принтеры могут закладывать биосовместимые материалы для печати живых тканей для имплантации, наноразмерных объектов для изготовления миниатюрных машин и гигантских машин, которые строят секции для архитектуры.

Материалы для 3D-печати

Для широкого спектра материалов обратите внимание на услугу 3D печати с набором машин, например, предложение Shapeway. Вы смотрите на ряд пластмасс, металлов и керамики с различными свойствами, чтобы соответствовать тому, что вы пытаетесь сделать.

Отлично, вы можете подумать - мне не нужно заботиться о том, как это работает, если это работает! Но есть уловка: посмотрите на каждый материал, который они предлагают, и вы увидите, что все они имеют разные требования, минимальную толщину стенок, минимальные размеры поверхности, минимальные зазоры и т. д. Вы можете обнаружить, что вам нужно настроить свой дизайн для работы с материалом, который вы используете.

Если вы идете в другую сторону, получая 3D-принтер для любителей, вы немного более ограничены, но не настолько, насколько можете ожидать. Там есть ряд нитей, которые будут работать на этой машине. Существуют гибкие нити, древесные нити, полупрозрачные материалы и пластмассы с разными характеристиками.

Остерегайтесь, однако: эти материалы, как правило, нуждаются в небольшой корректировке температуры и, возможно, даже альтернативными частями в принтере. Однако большинство людей с такими машинами любят возиться с такими вещами.

Моделирование для 3D-печати

Существует два больших подхода к 3D-моделированию: поверхностное моделирование и твердотельное моделирование.

• Поверхностное моделирование обычно представляет объект как точки, ребра и грани.
• Твердотелое моделирование вместо этого, как следует из названия, поддерживает представление внутри объекта. Твердотелое моделирование, как правило, сложнее для программиста и более ограничивающее конструктора, чтобы моделировать, и по этой причине большинство модельеров, нацеленных только на рендеринг изображений из 3D-модели, будут использовать пакет моделирования поверхности.

3D моделирование можно использовать, хотя есть оговорки. Помните, что программное обеспечение будет стремиться нарезать модель на разделы и знать, что внутри и снаружи этих разделов. Очевидно, что модельный пакет, представляющий объекты как твердые тела, будет однозначными, именно такими, но поверхностное моделирование может создавать файлы, где это не так очевидно.

Существует очень строгий подход, который вы должны предпринять для создания достоверных файлов с таким программным обеспечением, в отличие от обычного подхода для создания модели для рендеринга. Короче говоря, файл должен быть «многообразным», т. е. Не пересекающимися гранями, внутренними гранями, без отверстий и всеми вершинами, приваренными не очень близко. Модель должна быть водонепроницаемой, если вы сделали ее из пластиковых листов. Попробуйте следующий этот урок для получения более подробной информации.

Поэтому, если вы уже не обладаете навыками поверхностного моделирования, я бы предложил пойти с твердым пакетом моделирования. Хотя они менее выразительны, но вашей первой попытке будет меньше ошибок!

Я имею тенденцию использовать Solidworks, но это довольно дорого. К счастью, с ростом 3D-печати появляется сопоставимое распространение свободных пакетов моделирования. Компания, которая выпускает AutoCAD, еще один дорогой, но очень мощный 3D-пакет, предлагает несколько пакетов. Из них наиболее полезными для этой цели являются Tinkercad, базовый пакет CAD на базе браузера и 123D Design, автономный инструмент с аналогичными возможностями.

Мой бесплатный инструмент для работы - это, как правило, Trimble Sketchup, который является бесплатным для некоммерческого использования, но для получения нужного файла вам потребуется расширение.

Какой бы инструмент вы ни использовали, вам, как правило, нужно будет создать один или несколько файлов stl. Это очень простой формат файла, но большинство инструментов для 3D-печати будут приняты.

Создание 3D-печати

Итак, вы знаете некоторые технологии, вы знаете некоторые из программного обеспечения, возможно, вы даже сделали файл, и вы просто хотите знать, как же его напечатать! Есть несколько способов, которыми вы можете пойти здесь: вы можете инвестировать в машину, вы можете использовать услугу 3D-печати, или вы можете найти где-нибудь 3D-принтер. У каждого свои плюсы и минусы.

Покупка собственной машины может быть довольно инвестиционной, хотя и намного меньше, чем в прошлом. Вы будете ограничены той технологией, которую использует ваша машина, и, следовательно, одним (или несколькими) материалами, используемыми в этой технологии. Предполагая, что вы не изготавливаете деньги и смогли получить профессиональную машину, вам, возможно, придется вникать в техническую сторону вашей машины, если что-то нужно заменить или перекалибровать, хотя у многих любительских машин есть отличные онлайн-сообщества, чтобы поддерживать это.

Однако, сказав все это, у вас будет самый дешевый вариант для каждой части, которую вы хотите сделать, поэтому, если вы зацепитесь, вы сможете получить части по желанию вашего сердца. И вы сможете быстро повторять части - если вы похожи на меня, и вы делаете несколько частей, чтобы объединить, вы получите что-то неправильное в первый раз, когда вы это сделаете!

Еще один вариант - услуги 3D-печати, будь то онлайн или ваша местная компания 3D-печати. Это имеет преимущество без первоначальной стоимости (хотя это значительно дороже для каждой части), а также ряд доступных технологий и материалов. Другой основной недостаток - это время, потому что вам придется подождать, пока они сделают это и отправят его вам. Есть несколько крупных услуг, таких как Shapeways или iMaterialise, но поищите по магазинам и найдите решение, которое имеет лучшую цену и скорости для вас.

Третий вариант - это промежуточный дом между ними, но зависит от поиска 3D-принтера, который вы можете использовать локально. Движение создателя привело к появлению множества мест для местных производителей, которые могут иметь машины за счет входа и материала или даже только тех, кто готов торговать на машине 3D-моделирования для своих проектов. Посмотри на это!

Или вы можете делать то, что я делаю, и делать все это! Быстро тестируйте модели на своих машинах, отправляйте файлы для альтернативных материалов и участвуйте в создании с местными производителями и студентами.

Заключение

Итак, теперь вы знаете немного терминологии, некоторые варианты, а также плюсы и минусы каждого. Идите вперед 3D-печать это что-то интересное. Также убедитесь, что ваши глаза открыты для будущих обучающих программ, более подробно изучая некоторые детали. Если у вас есть вопросы, разместите их в комментариях!

Для вашего первого шага в 3D-печать, почему бы не попробовать использовать службу 3D-печати. Попробуйте наш учебник по созданию 3D-карточного футляра для мобильного телефона.

Предварительный просмотр: Seth Woodworth через Flickr