3D-принтери: принципи роботи та можливості пристроїв для друку у третьому вимірі

Історія появи 3D-принтерів

Перші 3D-принтери з’явилися ще у 80-х роках XX століття. Спочатку пристрої використовували лише великі компанії, щоб швидко і більш точно створювати прототипи своїх продуктів. З моменту своєї появи 3D-друк пройшов довгий шлях — від використання суто у високотехнологічних компаніях з метою прототипування до технології, доступної для домашнього використання.

Що таке 3D-принтер?

3D-друк представляє собою метод створення фізичного об'єкту з файлу цифрової моделі. Простими словами, 3D-принтер — це пристрій, який «друкує» фізичні об'єкти з використанням пластику, металу, смоли, порошків та інших матеріалів шляхом їх пошарового нанесення. В результаті з цифрової 3D-моделі виходить реальний об'єкт, який можна взяти в руки.

Всі 3D-принтери можна поділити на дві категорії:

1. Прості 3D-принтери.

   Працюють на базі технології Plastic Jet Printing (PJP), яка полягає в пошаровому нанесенні розплавленого пластику на платформу. Ці агрегати можуть мати абревіатуру FDM (Fused Deposition Modeling) або FFF (Fused Filament Fabrication) і є найбільш затребуваними на сьогодні.

2. Професійні SLA-принтери.

   Їхня робота побудована на зв’язці смоли та лазера, що дозволяє сформувати дуже точні та тонкі деталі.

Пристрої, призначені для тривимірного друку, активно використовуються як у промисловому середовищі, так і в побуті. Професійний 3D-принтер відрізняється від обладнання для домашнього використання хіба що габаритами та ціною: останні є більш компактними та доступними для бажаючих придбати їх.

Як працює 3D-принтер?

Принцип друку 3D виробів схожий на складання піраміди з блоків. Для кращого розуміння можна провести аналогію з верстатами ЧПУ (числове програмне управління). Якщо для отримання готового елементу на ЧПУ-верстаті з цільного шматка матеріалу шар за шаром знімають зайві частини матеріалу, то процес 3D-друку відбувається в зворотному напрямку: готові 3D-моделі створюються шляхом додавання матеріалу шар за шаром.

Загалом процедура 3D-друку складається з таких послідовних етапів:

1. Створення 3D-моделі.

   Зазвичай відбувається автоматично в спеціальній програмі або через 3D-сканування об'єкта, після чого створений об’єкт переноситься на USB-накопичувач. В інтернеті можна знайти безліч програм для моделювання, які під силу освоїти навіть новачку.

2. Підготовка до друку.

   Полягає в «нарізанні» вихідної моделі на сотні або тисячі тонких горизонтальних шарів та перекладанні 3D-моделі на зрозумілу для вашого принтера «мову» — цифровий код, який може зчитати принтер. Процедура «нарізання» на шари називається «слайсінг», а використовувані для цього програми — «слайсери».

   До речі, останні можуть і не знадобитися, якщо друк здійснюється на базі CAD (технології автоматизованого проєктування, від англ. сomputer-aided design) або через цифрову бібліотеку деталей і моделей, що зберігаються в хмарі. В таких випадках, щоб увійти в систему і запустити автоматичний друк, потрібно лише підключитися до Інтернету.

3. Безпосередньо процес друку.

   На цьому етапі принтер наносить на поверхню розплавлений матеріал шар за шаром, поки не вийде готовий об'єкт.

4. Очищення або обробка.

   Передбачає зняття підтримуючих елементів, шліфування або затвердіння (залежно від типу принтера) після друку.

Що можна надрукувати на 3D- принтері?

Зазначені переваги використання 3D-принтерів дозволяють ефективно застосовувати їх у багатьох галузях. Наприклад, у легкій промисловості 3D-принтери використовують для створення іграшок, чохлів і підставок для смартфонів, елементів одягу та взуття. У важкій промисловості та машинобудуванні — для створення інструментів, запчастин для авто та велосипедів.

Інший перспективний напрямок — медицина: тут вироби на 3D-принтері представлені зубними протезами, імплантами, ортопедичними елементами. А завдяки перспективній 3D-технології під назвою «біопринтінг» стало можливим виготовляти штучні людські органи і тканини тіла на заміну пошкоджених або відсутніх. Створені шляхом тривимірного друку протези і деякі хірургічні імпланти мають високу якість та відносно недорого коштують порівняно з аналогами, виготовленими за іншими методиками.

В архітектурній сфері 3D-принтери дозволяють друкувати макети будівель, а в мистецькій та дизайнерській сферах — створювати статуетки, декор та аксесуари. Є принтери, які «друкують» шоколад чи тісто, тож кулінарна сфера теж не залишається осторонь. Пристрої навіть підкорюють космос: відомо, що NASA вже тестує 3D-друк на Міжнародній космічній станції.

Також 3D-принтери знаходять застосування і в домашніх умовах. З їх допомогою можна самостійно виготовляти кастомізовані предмети, які не можна купити в магазинах. А можливість експериментувати з різними матеріалами та технологіями сприяє розвитку творчих здібностей користувачів і дає змогу реалізувати нові ідеї.

Переваги використання 3D-принтерів

Серед ключових переваг комерційного використання 3D-принтерів можна виділити наступні:

1. Можливість працювати з різноманітними матеріалами (крім полімерів і полімерних смол, для друку підходить сировина з металевим і паперовим складом, кераміка, тканина, харчова продукція).

2. Знижена трудомісткість, адже один принтер здатний замінити кілька складних агрегатів.

3. Простий процес експлуатації.

4. Швидкість виробництва.

5. Економічна вигода.

Як вибрати 3D-принтер?

При виборі 3D-принтеру перш за все варто звертати увагу на такі параметри, як:

1. Роздільна здатність (висота, товщина) шару.

   Цей показник вимірюється в мікрометрах (мкм), і чим він вищий, тим вищу якість має готовий виріб. Роздільна здатність шару може коливатися в діапазоні від 16 до 180 мкм. Найточніші принтери на сьогоднішній день друкують з висотою шару в 50 мкм.

2. Швидкість друку.

   Майте на увазі, що чим якіснішою має бути готова деталь, тим більше часу знадобиться для її виготовлення. В такому разі бюджетні моделі, які орієнтовані на високу швидкість друку — не найкращий варіант.

3. Область (зона) друку.

   Ця характеристика принтера визначає розмір готового елементу. Найчастіше виробники вказують область друку в кубічних сантиметрах.

Також вибір 3D-принтера залежить і від наявного софту. Сучасні пристрої підтримують Wi-Fi та спеціальні програми для моделювання об’єктів, що робить їх більш зручними в користуванні.

На кінцевий результат 3D-моделювання впливає і якість обраного матеріалу. Для виготовлення тривимірних прототипів найчастіше використовується ABS-пластик. Друге місце посідає PLA-пластик. Також сировиною можуть виступати PVA-пластик, FLEX, Nylon, HIPS, Woodfill та інші матеріали.

Топові моделі 3D-принтерів

Наразі в продажу представлений великий асортимент 3D-принтерів китайського та європейського виробництва. Трійку найкращих аматорських моделей FDM/FFF для експлуатації в 2025 році складають наступні:

• Flashforge Adventurer 3

  В числі плюсів цієї потужної китайської моделі — інтуїтивно зрозуміле керування, ергономічний корпус та яскравий сенсорний екран. Розробники потурбувалися і про набір корисних функцій, серед яких знімне сопло та платформа з підтримкою обігріву. Також пристрій підтримує хмарний друк, що дозволяє керувати ним дистанційно. Діаметр сопла дорівнює 0,4 мм при швидкості друку від 10 до 100 мм/с.

• Creality Ender 3

  Ця надійна і потужна модель від європейського виробника працює з такими матеріалами, як кольоровий пластик ABS і PLA, HIPS. Діапазон температур забезпечує широку сферу застосування. Пристрій має невеликі габарити і гарне друкувальне сопло діаметром 0,4 мм. Забезпечує оптимальну швидкість друку від 40 до 120 мм/с. Є можливість завантажувати макети за допомогою картки пам’яті або USB. Але набір функцій мінімальний, тому враховуйте це при виборі.

• Gembird 3DP-GEMMA

  Незважаючи на немалий об’єм (1,2 л), 3D-принтер цієї серії має компактні розміри. Також користувачів-початківців приваблює зручність даного рішення. Ця модель європейського виробництва працює на базі технології FDM або FFF, дозволяє завантажити кілька форматів файлів (obj, gcode). Пристрій підтримує високорівневий софт WiiBuilder і Cura, а також 3,5-дюймовий дисплей на базі технології LCD. Але в порівнянні з попередніми моделями швидкість друку Gembird 3DP-GEMMA досягає всього 40 мм/с.

Серед найкращих моделей SLA можна виділити такі:

• Creality Halot-One Pro

  Це китайська модель, яка працює на базі процесора ARM Cortex-M4 і вважається одним із лідерів ринку. Одразу варто відзначити її компактні розміри та покращене джерело світла. Керування здійснюється за рахунок якісного фірмового ПЗ зі смартфона Wi-Fi. Також розробники подбали про систему подвійного охолодження, наявність 6-ти УФ-ламп та зручне сенсорне керування. Корисною опцією є керування друком за допомогою хмарного сховища Creality Cloud. Але є один мінус: модель досить шумна.

• Anycubic Photon Mono 4K

  Модернізована китайськими розробниками версія отримала ще міцніший закритий корпус. Світлопроникність була збільшена ще на 7%, що позитивно впливає на швидкість роботи. З головних переваг даної серії слід відзначити високу швидкість друку, а також роздільна здатність 4К, чим обумовлена висока точність роботи. Продуктивність при цьому складає 50 мм/год. Конструкція відрізняється низьким рівнем шуму та мінімальним обсягом виділення неприємних запахів. Наявність матриці з кварцовими лінзами позитивно відбивається на розсіюванні УФ-променів.

  Як бачите, сучасний 3D-принтер та його можливості здатні перетворити народжені в голові ідеї на фізичну реальність. Вже сьогодні ці пристрої змінюють підходи до виробництва, дизайну та навіть медицини. І хоча технологія 3D-друку ще розвивається, вона стає все доступнішою. Можливо, скоро 3D-принтер стане таким же звичним вдома, як колись звичайний струменевий принтер. Тим більше, що ціна 3D-принтера за останні роки суттєво знизилась, і ці пристрої стали більш доступними для власного користування.