Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки, образования и устойчивого развития: 3. Практическое руководство по вашей первой 3D печати

Что такое доступная и дешёвая 3D-печать?

Woolpit 24.07.13 в 11:31

Краткая история: лазерный принтер

fidller_fly 28.07.13 в 11:12

Эта история не о 3D-принтерах, она о приборе, который способен печатать тексты и изображения на листе бумаги и стал недорогим и широко распространённым офисным и домашним приспособлением, которое мы используем каждый день, порой даже не осознавая всей его важности: лазерный принтер.

Woolpit 26.07.13 в 11:33

Лазерный принтер был изобретён [1] на фирме Xerox в 1969 году исследователем Гэри Старквезером (Gary Starkweather, фото справа), который до 1971 года работал над улучшением принтера, а годом позже включил его в полнофункциональную сетевую систему печати.

Woolpit 26.07.13 в 11:42

Первый лазерный принтер для офисного использования был выпущен в 1981 году и назывался Xerox Star 8010. При всей своей инновационности Star была очень дорогой системой (17.000$), и её купило относительно небольшое число предприятий и учреждений.

fidller_fly 22.07.13 в 17:36

Сегодня, спустя 30 лет, стоимость печати стала на два порядка ниже: небольшой цветной струйный принтер SOHO ("small-office, home-office") продаётся менее чем за 50$, в то же время чёрно-белые лазерные принтеры начального уровня стоят 100$ и меньше. Поэтому лазерные принтеры (в том числе цветные) теперь часто покупаются для дома, их производительность, скорость и качество печати стали доступны каждому.

Woolpit 09.08.13 в 03:57

Некоторые думают, что 3D-принтеры следуют тем же путём, только быстрее.

Woolpit 22.10.13 в 04:47

Технологии 3D-печати и профессиональные 3D-принтеры

Woolpit 09.08.13 в 03:59

3D-печать [2] (также известная как аддитивное производство) – это процесс создания твёрдых трёхмерных объектов любой формы из цифровой компьютерной модели. 3D-печать достигается посредством так называемых аддитивных процессов, во время которых каждый слой материала кладётся в разной форме. Это отличает её от традиционных техник механической обработки, большинство которых основано на удалении материала путём его обрезания или сверления (субтрактивные процессы). Объекты, произведённые аддитивно, могут быть использованы на любой стадии жизненного цикла продукции, от создания предварительных образцов (например, в быстром прототипировании) до полноценного производства (например, в быстром производстве), в добавок к механической обработке и постпроизводственной доработке. Сегодня эта технология широко используется в ювелирном и обувном производстве, промышленном дизайне, архитектуре, инженерии и конструировании, автомобильной, космической, стоматологической и медицинской промышленности, образовании, геоинформационных системах, гражданском строительстве и многих других профессиональных сферах, и новые области применения добавляются в этот список каждый год.

Woolpit 14.08.13 в 07:11

С конца 1970-х было изобретено несколько различных способов 3D-печати, но сначала принтеры были большими, дорогими и весьма ограниченными в том, что они могли производить. Наиболее распространённая технология 3D-печати, называемая моделированием методом наплавления (FDM), была разработана и запатентована Скоттом Крампом (S. Scott Crump, фотография справа) в 1989 году. В 1990-м она была поставлена на промышленную основу компанией Stratasys [3] (http://www.stratasys.com), в которой Крамп был соучредителем. В 2012 году эта компания объединилась с другим лидером рынка, Objet, чтобы стать сегодня самым крупным производителем 3D-принтеров и материалов для 3D-печати.

Woolpit 14.08.13 в 08:51

Моделирование методом наплавления (FDM)

Woolpit 14.08.13 в 08:52

Существует много технологий 3D-печати, самая популярная называется моделированием методом наплавления [4] (FDM). Она очень проста: сложные объекты создаются из расплавленного пластика, выдавленного через сопло. Намотанная на катушку пластиковая нить (или даже металлический провод), разматываясь, подаётся в экструзионное сопло, при этом управляемый компьютером механизм перемещает само сопло или объект (или оба) вдоль трёх осей. После выдавливания (экструзии) материал моментально затвердевает. Для всех этих перемещений, также как и для подачи нити в экструдер, обычно используются шаговые двигатели или сервомоторы.

Woolpit 20.08.13 в 13:12

Другой подход к 3D-печати - избирательное сплавление слоёв гранулированных материалов, известное как селективное лазерное спекание (SLS) [5]. При этой технике части слоя плавятся, затем рабочая зона опускается и добавляется новый слой гранул; процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет полностью готова. Нерасплавленный материал используется для поддержки нависающих частей и тонких стенок изготавливаемой детали, уменьшая тем самым необходимость создания временных поддерживающих структур. Для спекания гранулированного материала в твёрдый объект, как правило, используется лазер.

Woolpit 22.08.13 в 08:58

Ещё один метод похож на струйную 3D-печать[6]. Принтер создаёт модель послойно: сначала наносит слой порошка (гипса или смолы), затем, используя технологию, похожую на струйную, печатает в поперечном сечении детали связующее вещество. Это повторяется до тех пор, пока не будут напечатаны все слои. Данная технология позволяет печатать полноцветные прототипы, выступающие и эластомерные части (эластомеры — это каучукоподобные полимеры). Она была разработана в Массачусетском технологическом институте и лицензирована Z Corporation.

Woolpit 26.08.13 в 12:59

Некоторые профессиональные 3D-принтеры могут печатать из металла, керамики и множества других материалов и цветов, производя достаточно большие объекты (размером до нескольких метров) с невероятно высоким разрешением, главным образом для промышленного и профессионального применения. Конечно, они достаточно дорогие и, в основном, недоступны для обычных людей.

fidller_fly 25.07.13 в 04:50

Революция: персональный 3D-принтер

fidller_fly 25.07.13 в 04:51

Мысль о том, что можно перейти от профессионального 3D-принтера к чему-то новому, меньшему и более доступному по цене, впервые [7] была высказана в докладе Адриана Боуйера [8] (Adrian Bowyer, фото справа) в 2004-м, когда он был академиком Батского университета в Великобритании. Он представил концепцию самовоспроизводящихся устройств, которые могли бы печатать свои собственные детали (или некоторые из них) и были бы настолько простыми, что их мог бы собрать кто угодно. Эта простая идея, при поддержке большого виртуального сообщества в интернете, дала начало движению увлечённых «создателей» - проекту RepRap [9].

Woolpit 02.10.13 в 12:47

Эти первые шаги к созданию недорогого «персонального» 3D-принтера стали возможны внутри так называемой культуры творца [10], которая является современным воплощением того сообщества энтузиастов, которое создавало первые персональные компьютеры в гаражах своих родителей. Действительно, эта культура представляет собой что-то вроде технического ответвления движения «Сделай сам» (DIY), с типичными интересами, такими как электроника, робототехника, 3D-печать и использование инструментов программного управления, а также с более традиционными занятиями: металлообработка, деревообработка, традиционные искусства и ремёсла. Философия этой культуры стимулирует новые, уникальные способы применения технологий, и поощряет изобретательность и создание новых образцов.

Woolpit 02.10.13 в 12:53

Пропитанный этой культурой проект RepRap был направлен на создание свободного и доступного 3D-принтера, вся техническая начинка которого была бы реализована в соответствии с открытой лицензией (они выбрали лицензию GNU). Этот принтер должен был быть способен копировать самого себя (по крайней мере частично), печатая свои собственные детали из пластика.

Woolpit 02.10.13 в 12:54

Так как RepRap - открытый и свободный проект, лежащая в его основе схема стала источником вдохновения для многих схожих проектов, таким образом была создана экосистема родственных и производных от RepRap 3D-принтеров, большинство из которых тоже имеют открытые лицензии. Доступность этих схем означает, что изобрести 3D-принтер стало очень легко. В то же время качество и сложность схем принтера, так же как и качество его компонентов или готовых устройств, сильно отличаются в зависимости от проекта. С 2008 года было несколько проектов и компаний, которые пытались создать доступные по цене 3D-принтеры для домашнего использования. Большая часть этой работы велась сообществами DIY, энтузиастами и первопроходцами, имеющими связи в академических и хакерских кругах.

Woolpit 02.10.13 в 13:15

Поэтому цена 3D-принтеров где-то между 2010 и 2012 годом резко упала [11], и сегодня многие устройства стоят меньше 1.000 $ (а некоторые даже меньше 500 $).

Woolpit 07.10.13 в 03:57

[комментарий к иллюстрации]
Moilanen, J. & Vadén, T.: Производство в движении: первый обзор сообщества 3D печати, статистические исследования Peer Production*. http://surveys.peerproduction.net/2012/05/manufacturing-in-motion/
[* Peer Production - явление самоорганизации сообществ людей, так же известное как массовое сотрудничество, для совместной работы и получения общего результата или продукта]

alex_itz 13.12.13 в 05:07

Большое изменение в общественном восприятии дешёвой 3D-печати произошло тогда же и было вызвано главным образом широким освещением этой темы в СМИ. Хороший пример – обложка журнала Wired за октябрь 2012 года [12] с заголовком «Это устройство изменит мир» и фотографией исполнительного директора и соучредителя Makerbot Бре Петтиса (Bre Pettis) с принтером Replicator 2 в руках.

Woolpit 07.10.13 в 04:08

В феврале 2013 года президент США Обама (Obama) упомянул эту технологию во время своего ежегодного обращения «О положении страны» [13], как если бы все уже знали, что это такое. Он выразил надежду, что благодаря этой технологии американское производство испытает новый подъём. «На месте закрытого склада теперь современная лаборатория, где новые работники осваивают 3D-печать, которая потенциально может в корне изменить способ создания практически чего угодно», - сказал Обама. Мы должны отметить, что он упомянул только саму 3D-печать, а не её дешёвое внедрение.

Woolpit 07.10.13 в 04:10

Профессиональный против персонального

fidller_fly 28.07.13 в 11:14

Здесь мы хотим проанализировать несколько практических различий между профессиональным 3D-принтером и одним из его дешёвых собратьев:

Woolpit 08.10.13 в 09:24

• в то время как первый может использовать только один (или более) из специально изготовленных (и дорогостоящих) пластиковых порошков, разрешённых производителем, второй может использовать дешёвую пластиковую нить (АБС, ПЛА и т.д.) любого поставщика (диаметром 1,75 мм или 3 мм, в зависимости от типа печатающей головки);

Woolpit 08.10.13 в 09:25

• у профессионального принтера жёсткий, обычно металлический (иногда пластиковый) корпус, в то время как каркас дешёвого 3D-принтера часто изготавливается из вырезанной лазером фанеры или напечатанных пластиковых частей, реже алюминия или стали;

Woolpit 08.10.13 в 10:00

• для работы на профессиональных принтерах необходимы коммерческие программы (с закрытым программным кодом), и производитель часто организует специальные курсы для операторов таких устройств, в то время как программы для управления дешёвыми 3D-принтерами, как правило, бесплатны и имеют открытый код (они не всегда радуют разнообразием функций, зато обычно легко настраиваются под индивидуальные потребности, к тому же они быстро развиваются);

Woolpit 08.10.13 в 10:03

• профессиональные устройства управляются проприетарными промышленными компьютерами и операционными системами, а их дешёвые коллеги вовсю используют открытые аппаратные средства, такие как Arduino, Pololu, Sanguinololu и т.д. (т.е. маленькие и недорогие компьютерные платы, управляемые операционными системами с открытым исходным кодом).

Woolpit 08.10.13 в 10:05

К этому списку можно было бы добавить больше различий, но все они ведут в одном и том же направлении: профессиональные 3D-принтеры всегда будут гарантировать лучшую производительность и больше функций ценой отказа от свободной модификации механики, электроники и программного обеспечения, а также от возможности проводить эксперименты. И, конечно, эти принтеры намного дороже. Дешёвые 3D-принтеры, напротив, редко подходят для профессионального использования, но могут стать ценным и мощным персональным инструментом.

Woolpit 08.10.13 в 10:34

Возможно, по аналогии с персональным компьютером (ПК) мы станем называть этот новый персональный 3D-принтер просто П3П. Ну а поскольку мы заговорили о персональном компьютере, создание которого многие считают самой крупной революцией ХХ века, возможно, вам будет интересно узнать как все начиналось…

Woolpit 08.10.13 в 10:34

История персонального компьютера (всё повторяется вновь?)

Woolpit 08.10.13 в 10:35

История персонального 3D-принтера кажется похожей на историю персонального компьютера (ПК). Оба сначала продавались по высокой цене, были «только для профессионалов» и неудобны в использовании (для их эксплуатации часто требовался специальный техперсонал). По-настоящему доступными и простыми в использовании они стали лишь несколько десятилетий спустя. Когда ПК стал действительно персональным и широко распространённым (потому что массовое производство всё больше и больше снижало его стоимость), мы получили дешёвые настольные компьютеры, через несколько лет промышленность создала невероятно тонкие и мощные ноутбуки, а недавно мы получили сматрфоны (карманные ПК) и «волшебные» планшеты. Этот захватывающий рост был возможен только благодаря революции ПК, а множество мелких и крупных изобретений, которые пронизывают и формируют мир, в котором мы все живём, - это её детища.

Woolpit 08.10.13 в 10:36

Мы не можем больше представить жизнь без современных информационных и телекоммуникационных (IT) технологий, мы привыкли и большинство (если не все) их стали возможны, благодаря персональному (то есть, доступному) компьютеру.

Woolpit 08.10.13 в 10:36

Пойдут ли 3D-принтеры тем же путём, чтобы скоро стать привычной бытовой техникой, которую можно будет встретить во всех домах и офисах, стоящей рядом с ПК? Проложит ли индустрия доступной 3D-печати, пока ещё находящаяся в колыбели, путь новой революции, сделав возможным невообразимое множество новых изобретений, которые снова изменят нашу жизнь?

Woolpit 08.10.13 в 10:36

Возможно, нас ждёт захватывающее время, и всем нам следовало бы понять это и подготовиться к нему. Так что давайте начнём изучать основы недорогой доступной 3D-печати.

Woolpit 08.10.13 в 10:37

3D-печать шаг за шагом

fidller_fly 28.07.13 в 11:17

Процесс воплощения идеи в красочном пластиковом объекте, созданном при помощи нашего 3D-принтера, достаточно длинный и сложный. В него вовлечено много разных вещей, которые должны взаимодействовать и слаженно работать:

Woolpit 08.10.13 в 10:37

• Первый шаг – это создание 3D-модели нашей идеи, цифрового двойника объекта, который мы хотим напечатать (этап цифрового моделирования).

Woolpit 08.10.13 в 10:37

• Второй шаг – создание файла правильного формата (обычно «STL»), содержащего всю геометрическую информацию, необходимую для отображения нашей цифровой модели (этап экспортирования).

Woolpit 08.10.13 в 10:37

• Если мы ленивы, то два предыдущих шага можем пропустить: просто загрузим цифровую модель из интернета (например, из Thingiverse).

Woolpit 08.10.13 в 10:38

• Если наша модель была спроектирована не особо тщательно, в ней могут быть дефекты. Мы должны попытаться исправить их при помощи программы (этап восстановления полигональной сетки или "mesh repairing").

Woolpit 08.10.13 в 10:38

• Третий шаг – преобразование цифровой модели (технически это трёхмерный образ цельной поверхности (сетки), ячейками которой являются треугольники) в список команд, которые наш 3D-принтер может понять и выполнить, обычно это называется G-код (этап нарезки или "slicing").

Woolpit 08.10.13 в 10:38

• Четвёртый шаг – дать принтеру список инструкций, например, через USB соединение с ПК или скопировав файл на карту памяти, которая будет прочитана принтером самостоятельно (этап соединения).

Woolpit 08.10.13 в 10:38

• Пятый шаг – запустить 3D-принтер, начать печатать и ждать результата (печать).

Woolpit 08.10.13 в 10:38

• Шестой шаг – снять только что созданный объект с рабочей платформы, удалить вспомогательные части (т.е. поддерживающие опоры и/или подложку – если они есть), очистить его поверхности (этап конечной обработки).

Woolpit 08.10.13 в 10:39

Есть ещё несколько моментов, которые тоже нужно учесть, чтобы результат был успешным: выбор 3D-принтера, его калибровка и установка, тип и качество пластиковой нити, тип поверхности печатной платформы. Все эти и упомянутые раньше аспекты будут рассмотрены более детально, с практической точки зрения на следующих страницах.

Woolpit 08.10.13 в 10:39

3D-моделирование

fidller_fly 28.07.13 в 11:18

Первый шаг к печати реального объекта – это создание виртуальной цифровой 3D-модели с помощью программы, часто называемой САПР (система автоматизированного проектирования, CAD). Есть много подобных программ для самых распространённых платформ (Windows, Mac OS X, Linux), некоторые из них бесплатны или даже имеют открытый программный код. Начать пользоваться программой САПР непросто, могут потребоваться недели или месяцы (и много терпения и практики) на то, чтобы выучить значение всех многочисленных пунктов меню и иконок. Даже простое понимание того, как двухмерное движение мыши переводится в трёхмерную среду программы, для некоторых может оказаться сложной задачей и затруднить манипуляции с моделью или изменение точки обзора, не говоря уже о более сложных вещах, таких как вращение объекта, пересечения и т.д.

Woolpit 08.10.13 в 10:42