К середине 90-х годов прошлого столетия в мировой экономике сложилась интересная ситуация: фирмы-конкуренты стали не просто бороться за потребителей продукции, но буквально выполнять любые их пожелания. Самое важное, что в итоге однообразную продукцию – например, часы и автомобили – прекратили приобретать миллионными партиями. Объем продаж с заводов-производителей сократился до нескольких тысяч штук в одной партии. Это ознаменовало начало эпохи мелкосерийного производства. В конечном итоге компании обнаружили, что разработка форм, лекал и прототипов для все новых и новых моделей обходится весьма дорого.

Примерно тогда же становятся популярными устройства, способные быстро и с минимумом затрат изготавливать модели, — станки с ЧПУ, числовым программным управлением. Многие из них так и остались в секторе производства, но интенсивное развитие отдельной ветви «эволюции» привело к появлению офисных принтеров объемной печати – так началась история развития 3D-печати.

Самым первым устройством для создания 3D-прототипов была американская SLA-установка, разработанная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году и использующая стереолитографию. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, как работает 3D-принтер: объекты наращиваются послойно.

Халл сразу же создал фирму 3D Systems, которая изготовила первое устройство объемной печати под названием Stereolithography Apparatus. Первой моделью этой машины, имевшей широкое распространение, стала разработанная в 1988 году SLA-250.

В 1990 году был использован новый способ получения объемных «печатных оттисков» — метод наплавления. Его разработали Скотт Крамп, основатель компании Stratasys, и его жена, продолжившие развитие 3D-печати. После этого стали активно использоваться понятия «лазерный 3D-принтер» и «струйный 3D-принтер».

Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1995 году двумя студентами Массачусетского технологического института был модифицирован струйный принтер. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Этот метод был запатентован, и теперь используется в созданной теми же студентами компании Z Corporation, а также в ExOne. Z Corp. до сих пор производит 3D-принтеры, использующие эту технологию.

История создания 3D-принтера продолжилась появлением технологии под названием PolyJet, основанной на использовании фотополимерного жидкого пластика. При таком способе печати головка «рисует» слой фотополимера, который моментально засвечивается лампой. Метод оказался выигрышным по многим параметрам: цена его значительно ниже, а высокая точность дает возможность изготовления не просто моделей, но готовых к применению деталей.

С течением времени развитие индустрии 3D-печати ускорялось, появлялись новые фирмы производители 3D-принтеров, вносящие свой вклад в ее разработку, использовались новые материалы и принципы, размеры и цены устройств становились все меньше – первые 3D-принтеры были огромны, сейчас же они умещаются на столе (исключая разве что промышленный 3D-принтер). Современный трехмерный принтер все больше становится похож на обычный, печатающий на бумаге, по внешнему виду и технологии нанесения «красящего» вещества. Печатаемые им модели отличаются еще и высокой прочностью, поэтому могут применяться в качестве готовых изделий.

Сейчас 3D-принтер может занимать очень мало места – конечно, это зависит от его назначения. В начале развития цена такого принтера была доступна разве что очень крупным компаниям, теперь же любой человек может приобрести 3D-принтер, цена которого в среднем $1000. История 3D-принтера еще не окончена, и самое интересное – впереди.

к оглавлению

Применение 3d принтеров в современном мире

Бизнес на 3D принтерах

В настоящее время 3D принтеры используются довольно широко. В таких областях как промышленность и архитектура они стали просто незаменимы, поскольку они являются важной частью процесса создания прототипов объектов в трехмерном виде. Цены на данную технологию постоянно снижаются, и уже сейчас она доступна не только крупным компаниям, но и частным лицам. Поэтому стоит ожидать, что бизнес 3D принтер станет весьма успешным из-за повышения спроса на 3D печать.

Наличие 3D принтера позволяет легко распечатать трехмерное изображение в цифровом формате. Стоимость некоторых моделей китайского производства составляет меньше двух тысяч долларов. В тоже время эти устройства становятся более миниатюрными. Все это дает возможность не только организовать бизнес на 3D принтерах, но и заниматься творчеством с применением 3D печати.

Бизнес идея, по использованию возможностей 3D принтера не ограничивается одной только распечаткой графических изображений. Потребителям можно предложить и другие услуги. Например, создание 3D моделей, ведь далеко не каждый человек обладает для этого необходимыми навыками. Приобретение дополнительного оборудования, такого как 3D сканер, позволит значительно расширить комплекс услуг по моделированию и 3D печати различных объектов. В этом случае бизнес точно будет успешным, что уже доказано опытом множества предпринимателей из разных стран мира.

к оглавлению

Печать драгоценных украшений

Появление принтеров объемной печати стало революцией не только в промышленности, но и в искусстве. Теперь мастера художественных композиций выходят на новый уровень реализации своих идей. Большинство людей все еще даже не представляют себе, что такое ювелирный 3D принтер, и в то же время десятки и даже сотни уже сейчас владеют распечатанными украшениями. Кроме прямой печати готового изделия на принтере пластиковой бижутерии, можно использовать его в качестве изготовителя пресс-форм для последующей отливки, или купить ювелирный 3D принтер для создания восковых моделей будущего изделия.

В среде ювелиров такие принтеры называют «растишками» — по принципу создания восковок для будущих отливок методом наращивания. Наиболее популярен 3D принтер для ювелиров американской компании Solidscape, привлекающий высокой точностью построения, привычным для ювелиров материалом, в основе которого – литейный воск, и низкой стоимостью расходных материалов для одной модели. При этом скорость «печати», которую дает ювелирный 3D принтер, составляет до 10 колец за одни сутки. В будущем планируется использование глин с содержанием золота и серебра, уже сейчас есть принтеры, способные работать с металлом.

к оглавлению

Объемная печать на производстве

Трехмерные принтеры хоть и находятся в стадии бурного развития, но уже способны составить конкуренцию привычным производственным технологиям. Особенно это касается мелкосерийного изготовления изделий, для которого не просто невыгодна, а не нужна вся технологическая линия, требующая как времени, так и средств. Домашние, сравнительно недорогие 3D-принтеры значительно упрощены, выдавая сниженную точность объекта, невысокое общее его качество. Промышленный 3D-принтер, наоборот, отличается высокой точностью, скоростью процесса печати, качеством готовых «отпечатков», что позволяет использовать его как для создания моделей для отливки, так и для изготовления полностью работоспособных деталей.

Главные характеристики промышленных трехмерных принтеров – высочайшее качество, точность до нескольких микрон, большая площадь печати, полный контроль процесса, практически полная автоматизация. Для установки такого агрегата требуется достаточно большое помещение, высоковольтная линия, газоотвод, а стоимость его заставит множество раз продумать дальнейшее использование – выкладывать сотни тысяч долларов (а то и миллион) ради печати одного-двух изделий просто неразумно. В таком случае лучше подумать об аренде или даже произвести печать на заказ – если, конечно, производство не высшего уровня секретности.

В качестве материалов промышленный 3D-принтер может использовать практически все те, которые применяются для трехмерной печати: пластик, металл (титан), гипс, керамические массы, цемент, стеклянный порошок и так далее. Постоянно исследуются (и выявляются!) новые и новые вещества, способные превратиться в «объемный печатный оттиск» с помощью 3D-принтера.

к оглавлению

Применение 3D принтеров в области архитектуры

3D печать в архитектуре Появление первых 3D-принтеров произвело настоящую революцию в архитектурном дизайне и принесло с собой множество новых возможностей для инженеров, архитекторов и строительных компаний. 3D печать позволила воспроизводить трехмерные модели и использовать их на самых разных этапах проекта.

Используя 3D принтеры, архитекторы получили не просто возможность материализовывать свои проекты, но и существенно экономить время и деньги. Раньше прототипы изготавливались вручную, и этот процесс был настолько трудоемким и длительным, что создание такой архитектурной модели само по себе превращалось в самостоятельный проект.

Сегодня большинство архитектурных компаний использует 3D-принтеры с первых дней работы над проектом, начиная с ранних компоновок заканчивая созданием детализованных 3D-отпечатков для конструктивной их проработки (ранее же макеты создавались лишь на завершающей стадии разработки). Это уменьшает возможность возникновения ошибок на поздних стадиях прототипирования и помогает завершать проекты с наибольшей эффективностью и меньшими затратами.

Применение в строительстве и архитектуре 3D принтеров, выводит взаимоотношения с заказчиками на новый уровень. Используя в работе 3D принтеры, архитекторы получают возможность донести до клиента свои мысли и идеи точно, быстро и наглядно.

к оглавлению

Применение 3D принтеров в области образования

3D печать в образовании Применение 3D принтеров в области образования постепенно становится идеальным решением для вовлечения школьников и студентов в образовательный процесс. Использование 3D печати в школах и университетах делает обучение интересным и увлекательным, понятным и доходчивым, позволяет учащимся потрогать то, что представляют собой сложные и не всегда понятные абстракции и теории, отображенные в их тетрадях, ознакомиться с характеристиками и свойствами изучаемого предмета, получить наглядное представление о его функциях.

Прототипирование применяется многими ведущими западными, и все чаще отечественными, высшими и общеобразовательными учреждениями. 3D принтеры совершенствуют процесс обучения, развивают у школьников и студентов образное мышление, приучают будущих специалистов к автоматизированному программированию и проектированию.

В образовании 3D принтер вещь не заменимая, особенно если речь идет о технических вузах. Студенты могут разрабатывать дизайн предметов, деталей и макетов прямо в аудитории, распечатывать, оценивать и тестировать их. 3D печать, включенная в учебную программу инженерных дисциплин, дает возможность студентам воплощать в жизнь свои конструкторские замыслы и идеи, тем самым увеличивает долю инноваций в их проектах.

Студенты, использующие 3D принтер в образовательных целях, получают возможность учиться на собственных ошибках. Ведь на бумаге или компьютере изъяны той или иной модели заметить не всегда можно, а создавая макет или какую-нибудь деталь, ученик, смоделировав ее на компьютере в 3D программе, уже через небольшой промежуток времени держит ее в руках. Если что-то не получается, то это не проблема, можно попробовать еще и еще.

к оглавлению

Медицина

Использование 3D принтеров в медицине позволяет спасти человеческие жизни. Такие принтеры могут воссоздать точную копию человеческого скелета для отработки приёмов, гарантирующих проведение успешной операции. Всё чаще 3D принтеры используют в протезировании и стоматологии, так как трёхмерная печать позволяет получить протезы и коронки значительно быстрее классической технологии производства.

Прототипы зубных коронок, напечатанные на 3D принтере

Медицинские трёхмерные модели могут быть изготовлены из целого ряда материалов, включая живые органические клетки. Выбор того или иного материала для медицинского прототипирования зависит от целей и задач, стоящих перед медиками, и проблем, связанных со здоровьем пациента.

На рисунке ниже показана малышка Emma Lavalle (Эмма Лаваль), страдающая от редкого врождённого заболевания, при котором атрофируются мышцы рук, и ребёнок не может взять в руки даже лёгкую игрушку. Медики разработали и напечатали на 3D принтере специальный пластиковый экзоскелет, который помогает девочке жить полноценной жизнью.

Экзоскелет, напечатанный на 3D принтере для девочки с отрафированными мышцами рук

По мере роста девочки, специалисты печатают новые запасные части для экзоскелета, так что он всегда ей в пору.

Не останавливаясь на достигнутом, медики научились печатать «заплатки» для повреждённой человеческой кожи. В качестве материалов для печати используется специальный гель из клеток донора. По словам учёных, для печати кожи может быть использован даже самый обычный офисный принтер, немного модернизированный под поставленную задачу.

«Заплатка» для человеческой кожи, напечатанная 3D биопринтером

В 2011 году учёные сумели воспроизвести живую человеческую почку. Для этого 3D принтеру потребовалось всего лишь 3 часа.

3D принтер печатает живую почку

к оглавлению

Принцип работы школьного 3d принтера "Альфа" (FDM-технология)

Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM)) – технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.

Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами».

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

к оглавлению

Демонстрационное видео

Для начала воспроизведения ролика в окне видео кликните правой кнопки мыши и поставьте галочку "Воспроизвести"

Для остановки воспроизведения ролика в окне видео кликните правой кнопки мыши и уберите галочку "Воспроизвести"

скачать видео работы принтера

к оглавлению

Общие характеристики школьного 3d принтера "Альфа"

Габаритные размеры 3D-принтера	410х420х390 мм
Вес	13 кг
Тип корпуса	закрытый
Область печати	200х200х200 мм
Тип стола	нагреваемый
Количество экструдеров	1 шт.
Диаметр сопла экструдера	0,3 мм
Скорость печати	50 мм/с
Минимальная толщина слоя	0,1 мм
Минимальная толщина стенки	0,4 мм
Тип пластика	ABS / PLA
Технология печати	FDM

к оглавлению

Устройство школьного школьного 3d принтера "Альфа"

Школьный 3d принтер состоит из:

1.Внешний корпус

2.Экструдер

3. Рабочий стол (панель)

4.Плата управления

5.Маршовые двигатели и различные приводные механизмы

6.Блок питания

скачать видео инструкцию

к оглавлению

Минимальные технические рекомендации ПК к которому будет подключен 3d принтер "Альфа"

Компьютер: 2-х ядерный, тактовая частота не ниже 1500 ГГц, разрядность 64 бит

Процессор: Intel Celeron / AMD FX2

ОЗУ: от 2 Гб (желательно 4-8 Гб)

Жесткий диск: от 250 Гб

Видео: как встроенное так и внешнее с внутренней памятью не ниже 1 Гб (только для распечатывания, а для 3d моделирования желательно игровые видео карты)

ПО: Windows 7 (64 bit), с учетной записью на английском языке (например, 3d). Русский язык НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ! Могут быть проблемы со слайсером (ПО) при использовании русских символов.

к оглавлению

Подключение 3d принтера к ПК и знакомство с органами управления

Для подключения к ПК принтера нужно:

1.Извлечь из упаковки принтер

2.Подключить принтер к компьютеру через USB

3.Включить питание принтера

4.Установить драйвера и ПО для работы с принтером с установочного диска

5.Настроить ПО для работы

скачать видео инструкцию

к оглавлению

Установка программного обеспечения и драйвера принтера

скачать видео инструкцию

к оглавлению

Настройка зазора между экструдером и рабочим столом (панелью) школьного 3d принтера "Альфа"

1.Достать из упаковки и установить на устойчивое твердое основание его (например, стол)

2. Открыть переднюю прозрачную крышку принтера, чтобы получить доступ к внутренним деталям.

3.Подсоеденить USB-кабель принтера к ПК. Включите питание принтера.

4. Запустить ранее установленную вами ПО Repetier-Host на компьютере и подключится программно к принтеру.

5. На вкладке ПО Repetier-Host "Управление" включите "Нагреть экструдер" и дождитесь, пока экструдер не нагреется до необходимой температуры (230-250 градусов Цельсия).

6. Только на разогретом экструдере можно вставлять / менять леску для печати. Для этого аккуратно на самом экструдере нажмите сверху желтоватую кнопку, при этом снизу, сразу за основным вентилятором охлаждения, другим пальцем аккуратно придерживайте сам экструдер, чтобы избежать его повреждения. (Осторожно! Температура разогретого экструдера 230-250 градусов Цельсия). Не отпуская данную кнопку, возьмите конец лески и вставьте аккуратно в отверстие сверху сбоку (прямо возле самой кнопки) пока из экструдера снизу не появятся " пластмассовые нити". (в предыдущем пункте на видео данная процедура подробно показана!)

7. Теперь нужно настроить зазор между рабочим столом и самим экструдером. Для этого нужно взять обыкновенный листок бумаги А4 и свернуть его пополам.

8. Затем через программу Repetier-Host, вкладка "Управление" поочередно переместить экструдер по рабочему столу в крайние 4 точки стола.

9. Для каждой из 4-х точек нужно проделать следующее: опустить экструдер программно по оси Y и проверить зазор между рабочим столом и самим экструдером. Нормальным является такой зазор, через который с трудом проходит свернутый пополам обычный лист бумаги А4. Установить зазор можно заворачивая/отворачивая регулировочные винты на 4-х углах рабочего стола.

10. После установки всех 4-х зазоров по углам рабочего стола и установки лески в экструдер можно начинать пробную печать.

скачать видео инструкцию

к оглавлению

Заправка картриджа с леской в 3d принтер "Альфа"

Для заправки лески в принтер вам нужно:

1.Подключить принтер к ПК

2. С помощью программы R.H. нагреть экструдер до температуры плавления лески

3.Нажмать специальную кнопку на экструдере и продеть леску в экструдер.

скачать видео инструкцию

к оглавлению

Снятие (замена) картриджа с леской на 3d принтере

Для замены картриджа с леской нужно: