3D-принтеры: принципы работы и возможности устройств для печати в третьем измерении

История появления 3D-принтеров

Первые 3D-принтеры появились еще в 80-х годах XX столетия. Сначала устройства использовали только крупные компании, чтобы быстро и более точно создавать прототипы своих продуктов. С момента своего появления 3D-печать прошла долгий путь — от использования чисто в высокотехнологичных компаниях с целью прототипирования до технологии, доступной для домашнего использования.

Что такое 3D-принтер?

3D-печать представляет собой метод создания физического объекта из файла цифровой модели. Простыми словами, 3D-принтер — это устройство, которое «печатает» физические объекты с использованием пластика, металла, смолы, порошков и других материалов путем их послойного нанесения. В результате из цифровой 3D-модели получается реальный объект, который можно взять в руки.

Все 3D-принтеры можно поделить на две категории:

1. Простые 3D-принтеры.

   Работают на базе технологии Plastic Jet Printing (PJP), которая заключается в послойном нанесении расплавленного пластика на платформу. Эти агрегаты могут иметь аббревиатуру FDM (Fused Deposition Modeling) или FFF (Fused Filament Fabrication) и являются наиболее востребованными на сегодня.

2. Профессиональные SLA-принтеры.

   Их работа построена на связке смолы и лазера, что позволяет сформировать очень точные и тонкие детали.

Устройства, предназначенные для трехмерной печати, активно используются как в промышленной среде, так и в быту. Профессиональный 3D-принтер отличается от оборудования для домашнего использования разве что габаритами и ценой: последние являются более компактными и доступными для желающих приобрести их.

Как работает 3D-принтер?

Принцип печати 3D изделий похож на сборку пирамиды из блоков. Для лучшего понимания можно провести аналогию со станками ЧПУ (числовое программное управление). Если для получения готового элемента на ЧПУ-станке из цельного куска материала слой за слоем снимают лишние части материала, то процесс 3D-печати происходит в обратном направлении: готовые 3D-модели создаются путем добавления материала слой за слоем.

В общем процедура 3D-печати состоит из таких последовательных этапов:

1. Создание 3D-модели.

   Обычно происходит автоматически в специальной программе или через 3D-сканирование объекта, после чего созданный объект переносится на USB-накопитель. В интернете можно найти множество программ для моделирования, которые под силу освоить даже новичку.

2. Подготовка к печати.

   Состоит в «нарезании» исходной модели на сотни или тысячи тонких горизонтальных слоев и переводе 3D-модели на понятный для вашего принтера «язык» — цифровой код, который может считать принтер. Процедура «нарезания» на слои называется «слайсинг», а используемые для этого программы — «слайсеры».

   Кстати, последние могут и не понадобиться, если печать осуществляется на базе CAD (технологии автоматизированного проектирования, от англ. сomputer-aided design) или через цифровую библиотеку деталей и моделей, которые хранятся в облаке. В таких случаях, чтобы войти в систему и запустить автоматическую печать, нужно только подключиться к Интернету.

3. Непосредственно процесс печати.

   На этом этапе принтер наносит на поверхность расплавленный материал слой за слоем, пока не выйдет готовый объект.

4. Очищение или обработка.

   Предусматривает снятие поддерживающих элементов, шлифование или затвердевание (в зависимости от типа принтера) после печати.

Что можно напечатать на 3D- принтере?

Указанные преимущества использования 3D-принтеров позволяют эффективно применять их во многих отраслях. Например, в легкой промышленности 3D-принтеры используют для создания игрушек, чехлов и подставок для смартфонов, элементов одежды и обуви. В тяжелой промышленности и машиностроении — для создания инструментов, запчастей для авто и велосипедов.

Другое перспективное направление — медицина: здесь изделия на 3D-принтере представлены зубными протезами, имплантами, ортопедическими элементами. А благодаря перспективной 3D-технологии под названием «биопринтинг» стало возможным изготавливать искусственные человеческие органы и ткани тела на замену поврежденных или отсутствующих. Созданные путем трехмерной печати протезы и некоторые хирургические импланты имеют высокое качество и относительно недорого стоят по сравнению с аналогами, изготовленными по другим методикам.

В архитектурной сфере 3D-принтеры позволяют печатать макеты зданий, а в художественной и дизайнерской сферах — создавать статуэтки, декор и аксессуары. Есть принтеры, которые «печатают» шоколад или тесто, поэтому кулинарная сфера тоже не остается в стороне. Устройства даже покоряют космос: известно, что NASA уже тестирует 3D-печать на Международной космической станции.

Также 3D-принтеры находят применение и в домашних условиях. С их помощью можно самостоятельно изготавливать кастомизированные предметы, которые нельзя купить в магазинах. А возможность экспериментировать с различными материалами и технологиями содействует развитию творческих способностей пользователей и дает возможность реализовать новые идеи.

Преимущества использования 3D-принтеров

Среди ключевых преимуществ коммерческого использования 3D-принтеров можно выделить следующие:

1. Возможность работать с разнообразными материалами (кроме полимеров и полимерных смол, для печати подходит сырье с металлическим и бумажным составом, керамика, ткань, пищевая продукция).

2. Сниженная трудоемкость, ведь один принтер способен заменить несколько сложных агрегатов.

3. Простой процесс эксплуатации.

4. Скорость производства.

5. Экономическая выгода.

Как выбрать 3D-принтер?

При выборе 3D-принтера прежде всего стоит обращать внимание на такие параметры, как:

1. Разрешение (высота, толщина) слоя.

   Этот показатель измеряется в микрометрах (мкм), и чем он выше, тем более высокое качество имеет готовое изделие. Разрешение слоя может колебаться в диапазоне от 16 до 180 мкм. Наиболее точные принтеры на сегодняшний день печатают с высотой слоя в 50 мкм.

2. Скорость печати.

   Имейте в виду, что чем более качественной должна быть готовая деталь, тем больше времени понадобится для ее изготовления. В таком случае бюджетные модели, которые ориентированы на высокую скорость печати — не лучший вариант.

3. Область (зона) печати.

   Эта характеристика принтера определяет размер готового элемента. Чаще всего производители указывают область печати в кубических сантиметрах.

Также выбор 3D-принтера зависит и от имеющегося софта. Современные устройства поддерживают Wi-Fi и специальные программы для моделирования объектов, что делает их более удобными в использовании.

На конечный результат 3D-моделирования влияет и качество выбранного материала. Для изготовления трехмерных прототипов чаще всего используется ABS-пластик. Второе место занимет PLA-пластик. Также сырьем могут выступать PVA-пластик, FLEX, Nylon, HIPS, Woodfill и другие материалы.

Топовые модели 3D-принтеров

В настоящее время в продаже представлен большой ассортимент 3D-принтеров китайского и европейского производства. Тройку лучших аматорских моделей FDM/FFF для эксплуатации в 2025 году составляют следующие:

• Flashforge Adventurer 3

  В числе плюсов этой мощной китайской модели — интуитивно понятное управление, эргономический корпус и яркий сенсорный экран. Разработчики позаботились и о наборе полезных функций, среди которых съемное сопло и платформа с поддержкой обогрева. Также устройство поддерживает облачную печать, что позволяет управлять им дистанционно. Диаметр сопла равен 0,4 мм при скорости печати от 10 до 100 мм/с.

• Creality Ender 3

  Эта надежная и мощная модель от европейского производителя работает с такими материалами, как цветной пластик ABS и PLA, HIPS. Диапазон температур обеспечивает широкую сферу применения. Устройство имеет небольшие габариты и хорошее печатающее сопло диаметром 0,4 мм. Обеспечивает оптимальную скорость печати от 40 до 120 мм/с. Есть возможность загружать макеты с помощью карточки памяти или USB. Но набор функций минимальный, поэтому учитывайте это при выборе.

• Gembird 3DP-GEMMA

  Несмотря на немалый объем (1,2 л), 3D-принтер этой серии имеет компактные размеры. Также пользователей-новичков привлекает удобство данного решения. Эта модель европейского производства работает на базе технологии FDM либо FFF, позволяет загрузить несколько форматов файлов (obj, gcode). Устройство поддерживает высокоуровневый софт WiiBuilder и Cura, а также 3,5-дюймовый дисплей на базе технологии LCD. Но в сравнении с предыдущими моделями скорость печати Gembird 3DP-GEMMA достигает всего 40 мм/с.

Среди лучших моделей SLA можно выделить такие:

• Creality Halot-One Pro

  Это китайская модель, которая работает на базе процессора ARM Cortex-M4 и считается одним из лидеров рынка. Сразу стоит отметить ее компактные размеры и улучшенный источник света. Управление осуществляется за счет качественного фирменного ПО со смартфона Wi-Fi. Также разработчики позаботились о системе двойного охлаждения, наличии 6-ти УФ-ламп и удобном сенсорном управлении. Полезной опцией является управление печатью при помощи облачного хранилища Creality Cloud. Но есть один минус: модель достаточно шумная.

• Anycubic Photon Mono 4K

  Модернизированная китайскими разработчиками версия получила еще более прочный закрытый корпус. Светопроникновение было увеличено еще на 7%, что позитивно влияет на скорость работы. Из главных преимуществ данной серии следует отметить высокую скорость печати, а также разрешение 4К, чем обусловлена высокая точность работы. Производительность при этом составляет 50 мм/ч. Конструкция отличается низким уровнем шума и минимальным объемом выделения неприятных запахов. Наличие матрицы с кварцевыми линзами позитивно отражается на рассеивании УФ-лучей.

  Как видите, современный 3D-принтер и его возможности способны превратить рожденные в голове идеи на физическую реальность. Уже сегодня эти устройства изменяют подходы к производству, дизайну и даже медицине. И хотя технология 3D-печати еще развивается, она становится все более доступной. Возможно, скоро 3D-принтер станет таким же привычным дома, как когда-то обычный струйный принтер. Тем более, что цена 3D-принтера за последние годы существенно снизилась, и эти устройства стали более доступными для собственного пользования.