Как работает 3D-принтер

Не вырезать, а нарастить

Обычные станки делают деталь, убирая лишнее: фрезой, резцом, сверлом. 3D-принтер работает наоборот — он добавляет материал небольшими порциями, пока не вырастет весь предмет. Такие технологии называют аддитивными, от латинского «добавлять»^[1].

Почти все 3D-принтеры строят деталь послойно: печатают тонкий горизонтальный срез, поднимаются на долю миллиметра, печатают следующий — и так сотни раз. Есть и экспериментальные способы, где предмет формируется в жидкой смоле целиком, без деления на слои^[1].

Сначала 3D-печать задумывалась для быстрого прототипирования — чтобы конструктор быстро получил макет детали и проверил его в руках. Сейчас на принтерах делают и готовые изделия небольшими партиями^[1].

Нить, которая плавится: FDM

Самый распространённый тип домашних принтеров — FDM (fused deposition modeling, «моделирование наплавлением»), или FFF. По числу машин это самая популярная технология у любителей: принтеры дешёвые и простые в обращении^[2].

Как это работает^[2]:

1. Нить. Пластик поставляется в виде нити (филамента), намотанной на катушку.
2. Холодная часть экструдера. Шестерня или ролики, которые крутит шаговый двигатель, протягивают нить и с нужной скоростью проталкивают её дальше.
3. Горячая часть. Нить попадает в нагревательный блок и плавится.
4. Сопло. Расплав выходит через отверстие диаметром обычно 0,3–1 мм тонкой липкой ниткой и приклеивается к слою под ней.
5. Движение. Моторы водят головку по горизонтали и вычерчивают слой; потом стол или головка смещаются на высоту слоя, и всё повторяется.

Для мягких пластиков вроде PLA хватает латунного сопла, а для абразивных — с добавками дерева или углеволокна — нужно сопло из закалённой стали^[2].

Как модель превращается в слои

Принтер не понимает трёхмерных моделей. Между ними работает программа-слайсер (от английского slice — «нарезать ломтиками»): она режет модель на слои и для каждого слоя рассчитывает путь головки. Результат — файл с командами G-code: «сдвинуться сюда», «выдавить столько-то пластика», «нагреть сопло до такой-то температуры». Принтер просто выполняет их по очереди^[2].

Головку и стол двигают по-разному^[1]:

• декартова схема — три перпендикулярные направляющие X, Y и Z;
• дельта-схема — три вертикальные колонны с подвижными тягами, на которых «висит» головка;
• принтеры с вращающимся столом вместо одной из линейных осей.

Смола и свет: стереолитография

Другая большая семья — фотополимерные принтеры. Первый аппарат для стереолитографии (SLA) запатентовал американец Чак Халл в 1984 году^[3].

Здесь материал — не нить и не порошок, а жидкий фотополимер, который твердеет под действием света. В ёмкость со смолой опускают сетчатую платформу, луч лазера чертит по поверхности очередной срез, смола в этих местах застывает, платформа смещается — и луч рисует следующий слой. Толщина слоя — всего 0,05–0,2 мм^[3].

Фотополимерная печать и спекание порошков дают более качественные детали, чем FDM, но такие машины обходятся заметно дороже^[2].

Почему принтеры стали домашними

Печать наплавлением придумал Скотт Крамп, сооснователь компании Stratasys, в 1988 году. Патент на неё истёк в 2009-м — и технологию смогли свободно использовать все. С тех пор цены на такие принтеры упали примерно на два порядка^[2].

Важную роль сыграл британский проект RepRap (replicating rapid prototyper — «самовоспроизводящийся прототипировщик»). Его в 2005 году начал Эдриан Боуэр из Батского университета. Цель — дешёвый принтер, который может напечатать большинство собственных деталей. Все чертежи открыты. 13 сентября 2006 года прототип RepRap впервые напечатал деталь для самого себя^[4]. Название FFF тоже придумали участники RepRap: аббревиатура FDM — торговая марка Stratasys, а новым словом можно пользоваться свободно^[2].

Где печатают

3D-печать используют^[1]:

• для прототипов и мелкосерийных деталей;
• для литейных моделей и форм;
• для протезов и медицинских изделий;
• в строительстве — печатают даже стены зданий;
• в пищевом производстве;
• дома — для мелочей: держателей, крючков, запчастей, игрушек.

Отдельное направление — биопечать: экспериментальные установки печатают каплями с живыми клетками. Пока это лабораторные опыты^[1].

Похожим образом луч чертит изображение в лазерном принтере, только там он не наращивает объём, а рисует картинку на барабане. А о том, как устроен сам луч, — в статье «Как работает лазер».