3D-друк: будуємо майбутнє шар за шаром

Тривимірний усім привіт!

В онлайн-магазині Masteram з’явилася надзвичайно цікава категорія товарів — 3D-принтери. Неймовірні девайси з безмежним функціоналом у галузі проєктування.
У цій статті ми ввійдемо в світ 3D-друку, пояснимо вам що воно таке, як працює, і чому 3D-моделінг пов’язаний як з NASA, так і зі святом Геловіну.

Зміст

• Поняття 3D-друку, його поява та розвиток
• Технології тривимірного друку
• FDM (Fused Deposition Modeling) або FFF (Fused Filament Fabrication)
• SLA (Stereolithography)
• SLS (Selective Laser Sintering)
• Менш поширені технології
• Філамент як основна сировина у сфері 3D
• Найпопулярніші види філамента
• Критерії вибору пластикової нитки
• Переваги й недоліки 3D-друку
• Висновки

Поняття 3D-друку, його поява та розвиток

3D-друк — це процес створення тривимірних об'єктів шляхом накладання шарів матеріалу за комп'ютерною моделлю. 3D-друк бере початок у далеких 1980-х, коли з'явилися перші патенти на технології виготовлення об'єктів методом нашаровування матеріалу. Проте справжній стрибок розвитку стався у 2005 році з появою проєкту RepRap (скорочено від «Replicating Rapid Prototyper»), створеного доктором Едріаном Байєром з Університету Бата у Великобританії. RepRap був відкритим проєктом з метою створення доступного 3D-принтера, здатного до самовідтворення, шляхом друку власних комплектуючих.

Проєкт RepRap став революційним для індустрії, адже він зробив можливим створення недорогих 3D-принтерів для домашнього використання. Принцип відкритого доступу до конструкції принтера та застосування простих, доступних матеріалів призвів до зростання спільноти ентузіастів, які почали активно розвивати і вдосконалювати проєкт. У результаті з'явилися десятки модифікацій та нових моделей, які сьогодні стали основою для багатьох комерційних 3D-принтерів.

Завдяки RepRap домашній 3D-друк став доступним для широкої аудиторії, і відтоді будь-хто міг самостійно створювати об'єкти та прототипи. Цей рух сприяв розвитку сучасного ринку настільних 3D-принтерів, де популярні технології, такі як FDM, стали доступними для хобістів і підприємців в цілому світі.

Технології тривимірного друку

Розрізняють кілька основних технологій, кожна з яких має свої особливості та сфери застосування. Розгляньмо найпоширеніші з них.

FDM (Fused Deposition Modeling) або FFF (Fused Filament Fabrication)

Одна з найпопулярніших технологій, особливо серед домашніх користувачів. Принцип роботи FDM-принтера полягає в екструзії розплавленого пластику через сопло, яке рухається в трьох вимірах, шар за шаром створюючи макет. Пластик, як-от PLA, ABS або PETG, є основним матеріалом для друку, а сама технологія є відносно дешевою і простою. Недоліки включають обмежену деталізацію, порівняно з деякими іншими технологіями, а також можливість деформацій для певних матеріалів, таких як ABS.

Настільний 3D-принтер Prusa XL з 5 екструдерами на основі технології FDM

SLA (Stereolithography)

SLA є технологією фотополімеризації, де використовується рідка смола, що твердіє під впливом лазера або світла певної довжини хвилі. Ця технологія забезпечує високу точність і гладку поверхню, що робить її ідеальною для деталей з тонкими елементами чи ювелірних виробів. Однак процес є повільнішим і дорожчим, а матеріали (смоли) часто потребують додаткової обробки та спеціального зберігання, адже здебільшого є токсичними при використанні без засобів індивідуального захисту та у невідповідних приміщеннях.

SLS (Selective Laser Sintering)

А ось тут використовуються лазери для спікання порошкових матеріалів, таких як нейлон, в об’ємні об’єкти. SLS дозволяє створювати дуже міцні і складні деталі без використання підтримок, що особливо цінно для промислового прототипування. Однак обладнання є дороговартісним і потребує складного обслуговування, тому SLS частіше використовується у професійних або виробничих середовищах.

Менш поширені технології

Існують і інші технології, такі як DLP (Digital Light Processing), MJF (Multi Jet Fusion) та EBM (Electron Beam Melting). Кожна з них має свої переваги і підходить для конкретних застосувань: від високоточного медичного друку до швидкого промислового виробництва.

Вибір 3D-друкарської технології залежить від потреб: домашні користувачі часто обирають FDM через доступність і низькі витрати, тоді як SLA використовується для моделей, що потребують високої точності. Для промислового прототипування і виробництва найбільш придатними є SLS або MJF.

Філамент як основна сировина у сфері 3D

У магазині Masteram станом на зараз представлені принтери, що працюють за принципом FDM, і підходять як для домашнього використання, так і для професійного. Тому поки що ми розглянемо виключно цю технологію.

Отож, матеріалом для FDM-друку є термопластичне волокно — філамент. Спеціальний матеріал у вигляді нитки, який подається до екструдера принтера, розплавляється і накладається шарами для створення об’єкта. Філаменти виготовляються з різних матеріалів, що відрізняються властивостями і сферою застосування.

Найпоширеніші діаметри філамента

• 1,75 мм – підходить для більшості сучасних 3D-принтерів, оскільки легше подається і дозволяє більш детальне нанесення
• 2,85 мм (або 3 мм) – частіше використовується в професійних і промислових принтерах, надає кращу міцність і швидкість друку, але потребує потужнішого екструдера

Ключові особливості

Філаменти класифікують за температурою плавлення, міцністю, гнучкістю, стійкістю до зносу і впливу хімічних речовин. Це визначає їхні властивості і придатність до різних типів друку.

Найпопулярніші види філамента

Критерії вибору пластикової нитки

Вибір філамента для FDM-друку залежить від того, якими властивостями має бути наділений майбутній готовий об'єкт. Кожен матеріал має свої переваги та обмеження, що дозволяє виготовляти як прості декоративні предмети, так і високонавантажені функціональні деталі. При виборі матеріалу варто враховувати кілька основних факторів:

• Призначення виробу: якщо вам потрібні декоративні моделі, то PLA підійде ідеально. Для деталей, що піддаватимуться навантаженням, краще обирати міцніші матеріали, як-от ABS або PETG.
• Механічні властивості: деякі матеріали (до прикладу, нейлон або TPU) забезпечують додаткову гнучкість і міцність, що важливо для механічних компонентів.
• Стійкість до зовнішніх впливів: якщо виріб буде використовуватись на відкритому повітрі, краще обирати матеріали, стійкі до ультрафіолету та вологи, наприклад, ASA або PETG.
• Температура друку та особливості принтера: деякі матеріали вимагають високих температур для плавлення або закритої камери для рівномірного охолодження, як-от ABS або нейлон. Варто також перевірити, чи вимогам матеріалу відповідає сам принтер.

Намагаючись максимально спростити вам пошук необхідного матеріалу, ми врешті вивели золоту формулу:

✓ Починайте з простих у використанні матеріалів, таких як PLA, якщо ви новачок.
✓ Ознайомтеся з температурними параметрами принтера, щоб підібрати відповідний матеріал.
✓ Враховуйте особливості зберігання філамента: наприклад, нейлон і TPU поглинають вологу, тому їх слід зберігати в сухому місці.

Вибір правильного філамента відчутно впливає на якість і функціональність надрукованих об’єктів. Тому важливо орієнтуватися на технічні характеристики матеріалу, адже ваш 3D-макет матиме ідентичні властивості. Якщо ж вам необхідна допомога у виборі, ви завжди можете звернутися до нас.

Переваги й недоліки 3D-друку

Переваги

• Швидке виготовлення прототипів: 3D-друк дозволяє швидко перетворити цифрову модель на фізичний об'єкт, що особливо корисно для прототипування та тестування.
• Зниження відходів матеріалу: на відміну від традиційних виробничих методів, 3D-друк використовує матеріал лише там, де це потрібно, зменшуючи відходи.
• Можливість створення складних форм: 3D-принтер може виготовляти складні деталі з порожнинами та геометріями, які важко або неможливо створити іншими методами.

Недоліки

• Обмеження в розмірах друку. Більшість 3D-принтерів мають обмежений простір друку, що може бути перепоною для створення великогабаритних об'єктів. Проте у нас ви можете знайти ELEGOO Neptune 4 MAX з об’ємом друку 420 × 420 × 480 мм, що є значною перевагою серед більшості популярних 3D-принтерів.
• Висока вартість обладнання та матеріалів. Якісні принтери й матеріали, особливо професійного використання, можуть коштувати відповідно. Однак 3D-друк уже зараз надзвичайно швидкими темпами стає доступним у повсякденному житті. Принтери більше не коштують, як автомобіль, а вартість матеріалу не така вже й висока, з огляду на кількість моделей, яку можна надрукувати з однієї котушки філамента.
• Потреба в спеціальних умовах для певних видів друку. Наприклад, для друку металом необхідне середовище з високою температурою, що практично унеможливлює роботу в домашніх умовах. Справді, такі матеріали як ABS вимагають термокамери для стабільної усадки та друку. Утім ними можна друкувати і на відкритому принтері: варто лиш пам’ятати, що необхідно використовувати клей для адгезії та уникати протягів у приміщенні. А якщо ви хочете полегшити собі життя, то використовуйте матеріал ASA, який якраз представлений у нас на сайті, і доволі непогано оптимізований для «відкритого» друку.

Тож, як бачите, попри незначні недоліки, технологія 3D-друку, це вельми перспективний напрямок, що вже зайняв стійку позицію в багатьох нішах. Але яке ж майбутнє чекає на нього?

Висновки

3D-друк продовжує розвиватися швидкими темпами і його можливості розширюються у багатьох галузях, зокрема у виробництві, медицині, будівництві, харчовій промисловості та навіть космічних дослідженнях. Інноваційні матеріали – від біосумісних для імплантатів до провідних для електроніки – розширюють спектр застосування.

Завдяки вдосконаленню технологій, таких як SLS (селективне лазерне спікання) і MJF (мультиджет-ф'юзинг), зростає швидкість друку і можливість масового виробництва складних об’єктів. Це дозволяє створювати персоналізовані медичні протези та навіть органи. У перспективі 3D-біодрук може стати звичайною практикою в хірургії та трансплантології.

Нарешті стало можливим і виробництво деталей для космічних апаратів безпосередньо у космосі, що значно знижує потребу в транспортуванні. Завдяки великим принтерам, які можуть використовувати бетон та інші будматеріали, поступово розвивається сфера будівництва, що дозволяє створювати житлові об’єкти швидко й екологічно.

Перший в Україні приватний 3D-будинок: зведений для родини загиблого військовослужбовця в рамках благодійного проєкту «Об'єднані заради допомоги» (м. Ірпінь, Київська обл.). Принтер: 3D UTU

3D-друк їжі стає реальністю і вже використовується для створення індивідуалізованих страв у закладах та для місій у космосі. В майбутньому це може змінити роками усталені канони харчування.

На додачу це заняття може стати непоганою розвагою (у теперішній час позитивні емоції важливі як ніколи.) На домашньому принтері ви надрукуєте не тільки різноманітні корисні дрібнички, а й предмети інтер’єру і навіть святкові аксесуари. Ялинкові іграшки, що ніколи не розіб’ються (заберіть котів від екранів), декоративні прикраси та інший реквізит будь-якої форми та дизайну. Запевняємо, на Геловін ви зможете виготовити найстрашніші маски, скелети, павуків та реалістичні ікла вампіра. Непогано, чи не так?

Хоча 3D-технології мають великі перспективи, вони стикаються і з викликами: від високої вартості обладнання та матеріалів до потреби в стандартизації для промислових процесів. Але з розвитком матеріалознавства, вдосконаленням принтерів і поступовим зниженням вартості, 3D-друк має потенціал стати основою персоналізованого виробництва та революційних рішень у багатьох галузях.

Зважаючи на те, що це безмежно широка сфера, вмістити все в одній статті дуже важко. Тож ми й надалі будемо надавати вам необхідну інформацію, поради та ідеї, щоб ваш шлях у цьому новому світі мав таки три виміри: комфорт, простоту й ідеальну адгезію :-)

Команда Masteram