Готовый перевод 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?

Краткая история: лазерный принтер

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.

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.

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.

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.

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

Технологии 3D-печати и профессиональные 3D-принтеры

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.

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.

Моделирование методом наплавления (FDM)

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.

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.

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.

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.

Революция: персональный 3D-принтер

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].

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.

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.

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.

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 $).

[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]

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.

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.

Профессиональный против персонального

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

• 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);

• 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;

• 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);

• 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).

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.

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…

История персонального компьютера (всё повторяется вновь?)

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.

Мы уже не можем представить себе жизнь без привычных современных информационных и телекоммуникационных технологий, большинство из которых (если не все) стали возможны благодаря персональному (т.е. доступному) компьютеру.

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?

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.

3D-печать шаг за шагом

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:

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

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

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

• 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").

• 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").

• 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).

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

• 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).

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.

3D-моделирование

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.

Примеры бесплатных программ для технического 3D-моделирования:

• SketchUp [14] (простая, с обширным сообществом пользователей и обучающими видеопособиями, но так или иначе ограниченная; оптимальна для создания простых моделей).
[от ред.: как бонус - русский интерфейс]

• FreeCAD [15] (программа с открытым исходным кодом под Win/Mac/Linux для двухмерного и трёхмерного параметрического моделирования, достаточно сложная для изучения, но с хорошей документацией и всегда готовым помочь пользовательским сообществом).

• Blender [16] (мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом под Win/Mac/Linux, оптимизированное для сложной анимации и рендеринга 3D-объектов и персонажей, неинтуитивное и сложное для изучения).
[от ред.: с возможностью переключаться на русский интерфейс, с доступными пособиями в т.ч. и видео- на русском языке, с возможностью экспортирования в STL и инструментом для создания 3D скульптур]

• Autodesk™ Inventor Fusion [17] (профессиональное САПР приложение под Win/Mac, бесплатное для некоммерческого использования; был вытеснен более новой, "облачной" версией: Fusion 360)

• OpenSCAD [18] (не приложение, а язык программирования для создания 3D-моделей с помощью алгоритмов, очень мощный и многофункциональный, довольно сложный, но попробовать стоит).

Примеры бесплатных программ для художественного 3D-моделирования:

• Sculptris [19] (приложение под Win, Mac для создания виртуальных скульптур. Робота в программе очень напоминает процесс лепки из настоящей глины)

• Autodesk 123D Design [20] (Mac, Win, iPad, веб-приложение, простой интерфейс с множеством функций).

Иногда для создания несложной 3D-модели проще использовать один из множества специализированных сайтов, которые предлагают инструменты для быстрого создания и доработки объектов (такие инструменты называются веб-приложениями).

Примеры веб-приложений для 3D-моделирования:

• TinkerCAD [21] (сейчас закрыт)
[от ред.: TinkerCAD поглощён корпорацией Autodesk, но проект на плаву, и после регистрации на сайте вы можете пройти несколько простых уроков и по их выполнении получить первые предметы для 3D печати]

• 3Dtin [22]

• ShapeSmith [23]

• Cubify [24]

• Autodesk 123D Design [20]

В качестве последнего пункта этого краткого обзора программ для 3D-моделирования стоит заметить, что в последнее время подобные приложения выпускаются и для планшетов с сенсорными экранами, таких как iPad фирмы Apple. Примеры таких приложений:

• netfabb, 3Dskope, KiwiViewer, vueCAD и MeshLab (просмотрщики файлов STL, не способные создавать или изменять модели; все бесплатны)

• Приложения Autodesk из семейства 123D: 123D Sculpt (создание моделей с натуралистично закруглёнными гранями, бесплатно), 123D Design (создание геометрических, «квадратных» моделей, бесплатно) и 123D Creature (создание персонажей, не бесплатно, но продаётся по минимальной цене)

• Autodesk 123D Catch (3D-сканирование камерой iPad или iPhone, бесплатно, но требуется регистрация).

Получение 3D-моделей из интернета

Хорошей идеей будет, прежде чем начать создавать свои собственные 3D-модели и начинать работать с более или менее сложными программами, обратить внимание на уже готовые модели, сделанные другими и любезно размещённые ими в Сети для бесплатного пользования. Окинем взглядом самые полезные веб-ресурсы 3D-моделей:

• Thingiverse [25]: ресурс используется большинством энтузиастов дешёвой 3D-печати как источник готовых моделей и для обмена своими творениями. Здесь предлагается более 50 000 пользовательских 3D-моделей. Большинство из них сделано для 3D-печати, но есть также модели для лазерной резки и других, более традиционных методов обработки. Всё содержимое можно скачать бесплатно. Большинство моделей легко напечатать, но лучше сначала проверить, была ли данная модель уже напечатана кем-нибудь из пользователей и с каким результатом (посмотрите раздел «who has made it» [«кто сделал это»] в описании модели).

• Autodesk 123D [26]: сайт с большим количеством объектов, которые можно бесплатно скачать после регистрации. Файлы уже в формате STL.

• 3D CAD browser [27]: онлайн-ресурс обмена 3D-моделями для графических дизайнеров (CGI) и инженеров, работающих с CAD/CAM/CAE. Здесь много автомобилей, животных, архитектурных моделей и т.д. Как всегда, бесплатное скачивание в разных форматах после регистрации. Не все модели подходят для дешёвой 3D-печати.

• GrabCAD [28]: загрузка файлов в этом обширном онлайн-хранилище доступна без регистрации. Много разных трёхмерных цифровых объектов – от маленьких гаек и болтов до целиком гоночных автомобилей с тысячами превосходно сделанных механических деталей. Но для 3D-печати подходит только небольшая часть этих объектов, большинство же может служить лишь как замечательные сложные примеры в 3D фотореалистичном рендеринге.

• Shapeways [29]: Веб-сайт, предлагающий множество замечательных проектов, загруженных пользователями, но почти ничего нет в свободном доступе. Вы можете заплатить, чтобы загрузить некоторые модели или просто заказать у Shapeways распечатку их в пластмассе или металле (от алюминия до меди или стали, а также позолоченные или посеребренные) и доставить вам, за разумную цену, с гарантией прекрасного результата.

• 3D warehouse[30]: электронное хранилище SketchUp, с сотнями моделей самых разных типов объектов. Придётся, правда, внимательно поискать, чтобы найти пригодные для печати.

• 3D via [31]: небольшое хранилище 3D-моделей, которые можно бесплатно скачать после регистрации.

На большинстве этих сайтов доступные для скачивания файлы предлагаются в нескольких форматах, что позволяет легко изменить модели и подогнать их под свои требования. Они также могут служить источником упражнений для изучения возможностей современных программ для 3D-моделирования.

Но даже если на сайте есть только файлы STL, можно после скачивания импортировать их в программу 3D-дизайна (иногда для этого нужны специальные плагины) и таким образом получить возможность изменить их перед печатью. Многие скачивают и печатают модели самых известных разработчиков-любителей (например, Dizingof и Emmett на Thingiverse) или используют их в качестве основы и источника вдохновения при создании новых и более подходящих для печати (производных) моделей, не нарушая при этом авторские права, лицензии или моральные принципы. Это уже давно распространённая практика для работы с исходным программным кодом (являющаяся основой философии открытых источников), но она почти беспрецедентна в художественном и техническом мире, где люди намного чаще применяют авторское право на блокировку своей работы всеми юридическими и техническими средствами в попытке (чаще всего безуспешной) защитить их от копирования или изменения.

И даже если мы ещё не научились изменять чужие модели, тот факт, что огромное сообщество творческих людей имеет возможность сделать это, а также наличие нескольких сотен тысяч 3D-моделей, доступных для бесплатного скачивания, служит нам одновременно и стимулом, и вызовом для того, чтобы улучшать наши собственные навыки создания моделей, чтобы не отстать. Ведь возможно, приближается следующий тип цифрового неравенства - между теми, кто умеет создавать любые 3D-объекты, которые им нужны или просто нравятся, и теми, кто этого не умеет. Но даже если нам посчастливилось, и мы находимся на «творческой» стороне этого неравенства, нужно сделать ещё один шаг, чтобы стать настоящими создателями - выбрать 3D-принтер (купить или собрать, а ещё лучше купить и собрать), устройство, которое воплотит наши виртуальные проекты в реальные 3D-объекты…

Оборудование для 3D-печати

Нам потребовалась бы сотня страниц, чтобы перечислить характеристики и функции всех дешёвых 3D-принтеров, имеющихся сейчас в продаже (готового оборудования или наборов для самостоятельной сборки), или тех, которые разрабатываются энтузиастами движения свободного аппаратного обеспечения, загружающими свои схемы и инструкции по сборке в интернет для бесплатного скачивания.
Действительно, сейчас, возможно, худшее (и в то же время лучшее) время для покупки 3D-принтера: слишком большой выбор; постоянно меняющийся рынок, на котором чуть ли не каждый день старые модели сменяются новыми; много важных и стремительных усовершенствований технологии, которые каждый месяц делают для нас доступными новые функции, новые материалы для печати, более быстрые и надёжные принтеры, более точные результаты, более низкие цены и т. д. Довольно сложно следить за всем этим развитием, размышлять, что будет дальше, и при этом всё ещё быть в состоянии решить, какой принтер стоит приобрести сегодня.

На данном этапе очевидно, что любой совет и любая информация, которым сегодня можно доверять, в скором времени станут устаревшими или просто ошибочными, и поэтому не стоит впадать в искушение и бежать за своим первым 3D-принтером с верой в то, что эта модель навсегда останется лучшей. Пожалуй, определить, какая из моделей лучшая, вообще невозможно, ведь всё зависит от наших потребностей, интересов и способностей. Может, лет этак через десять всё будет проще, и в этой сфере появится очевидный лидер, а может и нет. Но сейчас наш единственный вариант – следовать за этим стремительным развитием, если не меняя принтер каждый год, то, по крайней мере, следя за новостями, отслеживая изменения и – самое важное – экспериментируя так часто, как это позволяют наши ресурсы (самым ценным из которых порой является время, а не деньги, особенно когда его недостаточно).

Идеальное решение при выборе нового принтера – купить модель, которую с течением времени можно будет без проблем обновить до усовершенствованной версии. У такой модели должно быть достаточно много пользователей, а её разработчики должны быть умными людьми, которые всегда стремятся к лучшему, устраняя недоработки и исследуя новые направления развития. Если вы спросите, как называется такой принтер, каждый ответит вам по-своему – просто потому, что единственно верного ответа нет. К счастью, у нас на выбор есть очень хорошие принтеры, интересные и даже великолепные модели, и все они разные, потому что мы тоже все разные.
Давайте рассмотрим некоторые наиболее распространённые дешёвые 3D-принтеры, на которые сегодня стоит обратить внимание. Нам следовало бы классифицировать их в соответствии с философией разработчиков, но иногда сложно найти границу между тремя главными категориями. Поэтому пришлось просто распределить их между двумя крайностями – от «абсолютно открытый, пользователю даётся полный контроль, для эксплуатации нужен большой опыт» до «полностью закрытый, пользователю даётся минимум контроля, подходит для неопытных пользователей», со всеми возможными промежуточными вариантами.

Авторский список лучших примеров для изучения (не обязательно лучших для печати) приведен здесь только как предложение и отправная точка, его нельзя назвать исчерпывающим.

1. 3D-принтеры в «хакерском» стиле: «сделай сам», открытые аппаратные средства, полностью настраиваемые.

[прим. ред. Хакер - человек, который врубается в дело, работает быстро и грубо, но эффективно]

• RepRap [32]: большое семейство, почти что дерево эволюции 3D-принтеров! Часто продаются под другими названиями и марками, оставаясь при этом, по большому счёту, модификациями одной из основных моделей RepRap:
- Darwin: исходная модель, сейчас заменена другими конструкциями;
- Mendel / Prusa Mendel / MendelMax: с характерным треугольным каркасом;
- Wallace и Huxley: две модели меньшего размера и упрощённой конструкции;
- Rostock: дельта-принтер с не-Декартовой конструкцией [33] (печатающая головка держится и управляется тремя манипуляторами, выстроенными в пирамидальной форме и прикреплёнными к вертикальным стойкам; основание зафиксировано), это очень интересная и уникальная модель.

• Ultimaker [34] (очень точный принтер из Нидерландов).

• Printrbot [35] (ряд дешёвых принтеров, включающий в себя несколько портативных моделей, из США).

2. Простые в обслуживании 3D принтеры: хороший компромисс: заранее полностью собранный, однако частично настраиваемый, принтер с меньшей «открытостью», но более легкий в использовании и предсказуемый.

• Makerbot [36] – всемирно известная компания, которая популяризировала дешевые 3D принтеры. Две доступных в настоящее время модели – эволюция предыдущих популярных принтеров, которые были, вероятно, первыми, проданными большому количеству любителей создавать:

• Replicator (с двойным экструдером, который может печатать двумя цветами, или двумя видами пластмассы одновременно), с фанерным каркасом и специальным общедоступным программным обеспечением;
[прим. ред. - полноценные чертежи первого репликатора. а также детали для лазерной резки (фанерный каркас) и пластмассовые части для распечатки без труда можно найти и скачать на Thingiverse]

• Replicator 2 (более новая копия с прочным металлическим каркасом, менее открытая, например, чертежи не доступны в онлайне, как это было для Replicator, но более надежная и удобная. Программное обеспечение было также модернизировано (уже не с открытыми исходниками). Есть также версия 2X с двойным экструдером и подогреваемой платформой.

• Solidoodle [37], третье поколение доступных 3D принтеров, предлагающих различные размеры печати и интересные опции, такие как прочный алюминиевый корпус и подогреваемую платформу.

• Afinia Up! [38] Это «плюс» и «мини» версии универсальных принтеров «для остальных», тех кто не "махровый" хакер, но все еще требует немного свободы для экспериментов.

3. 3D принтеры включай-и-играй (plug’n’play): закрытые «черные ящики», очень удобные, но с весьма ограниченным количеством настроек. Получаемый результат такой же, как у современных лазерных или струйных (2D) принтеров.

• Cube [39], первый и наиболее известный дешевый 3D принтер, полностью plug-n-play, с некоторыми компромиссами в управлении и универсальности, но легкий в обслуживании, разработанный и разрекламированный для использования непрофессионалами, и даже детьми. С собственным программным обеспечением (только для Windows), собственными картриджами пластмассовой нити и возможностями, такими как подключение посредством Wi-Fi и прямая печать с USB накопителя.

Хороший сравнительный анализ ряда принтеров различных категорий был опубликован в специальном выпуске журнала “Make:” зимой 2013, полностью посвященном 3D печати [40]. Для одних - это очень интересное чтение (стоит 6,99$ для цифровой загрузки как ebook или PDF, и 9,99$ для получения печатной версии) для других - подробные инструкции по 3D печати новичкам, программам моделирования и т.д.

Другой полный список 3D принтеров упорядоченных по цене (начиная от 400$ и почти до 25 000$) был составлен 3ders.org – хороший источник мировых новостей о технологии 3D печати – в свободном доступе онлайн по адресу: http://www.3ders.org/pricecompare/3dprinters/

Определенно, правильно предположить, что к настоящему моменту доступно более ста различных моделей дешевых 3D принтеров как в виде коммерческих продуктов (те, что мы можем собрать, купив на местном рынке или за рубежом), так и сделанные по открытым проектам, доступным через интернет по открытой на аппаратные средства лицензии (которые мы можем собрать самостоятельно).

Исправление полигональной сетки (таким образом, избегаем ошибок печати!)

Файл STL, созданный нами (или другими) использующий некоторые программные средства моделирования, может быть еще не готов к печати, независимо от того насколько аккуратным был процесс создания. Даже лучшие бесплатные программы проектировщика-любителя мало что могут сделать, чтобы избежать некоторых ошибок, «загадочно» возникших на поверхности объектов таких дефектов как отверстия или вывернутая поверхность. Это типичные проблемы, которые почти неизбежны, когда мы создаем сложные модели, включающие впадины, пересечения поверхностей или просто изогнутые поверхности.

Идеальная 3D модель пригодная для печати должна быть герметичной (то есть коллектор) и монолитной(сплошной), не полой.
Мы, конечно, можем проектировать такие объекты как вазы или «полые» объекты, но фактически они всегда имеют внутреннюю часть, которая твердая и цельная (даже если это просто тонкая «стенка»). Водонепроницаемость объекта - единственная ситуация, которая позволяет нашей программе нарезки (мы обсудим эту функцию на следующих страницах) должным образом идентифицировать внутреннюю и внешнюю часть объекта, для того чтобы определить где и когда выдавливать пластмассу. Но если даже есть невидимое микроскопическое отверстие в кусочно-линейной аппроксимации его поверхности (называемой ячейкой), целостность внешней поверхности объекта не гарантируется, так, же как и верный результат нарезки, а печать может завершиться беспорядочными сгустками пластмассы.

По этой причине, всегда лучше проверять наши модели на подобные проблемы перед нарезкой, и это может быть сделано с бесплатной программой netfabb Studio Basic [41], доступной для Windows, Mac и Linux.

Если обнаружились проблемы, они могут быть исправлены, если вернуться к программе моделирования или использовать netfabb, или при помощи автоматического [42] метода или вручную [43].

Другая очень полезная программа MeshLab [44], которую можно использовать для анализа и манипуляций с объектной cеткой (например, чтобы уменьшить ее сложность и число элементов [45]), а также преобразовывать STL-файлы в множество других форматов. Эта программа была разработана итальянским исследовательским институтом ISTI-CNR, совместно со студентами Университета Пизы в Италии и она доступна как открытое программное обеспечение для Windows, Mac и Linux.

Программное обеспечение для нарезки

Этот шаг, возможно, самый интересный в долгом процессе движения от идеи к реальному трехмерному объекту, потому что он раскрывает в тончайших и глубочайших подробностях работу 3D принтера по преобразованию грубой пластиковой нити в наши красивые творения. Подготовка 3D модели к печати – это тонкая комбинация технических знаний, науки и искусства, и требуется много времени, чтобы освоить эту процедуру.

Перед печатью нашу модель (сохраненную или экспортированную в STL-файл) следует преобразовать в набор инструкций для принтера (стандартный формат, называемый g-кодом): это задача называется нарезкой (потому что модель «нарезается» на множество тонких горизонтальных слоев, которые будут последовательно напечатаны), выполняется с помощью комплекса программ, называемых слайсерами.

Фактически, информации, содержащейся в STL-файле, мало или она бесполезна для принтера потому, что она содержит лишь длинный список координат <X,Y,Z>, определяющих вершины, составляющие множество многоугольных поверхностей сетки объекта.

Принтеру нужна очень разная информация: движения печатающей головки и/или платформы в различных направлениях X, Y и Z, количество выдавливаемой пластмассы и точное время, когда необходимо начинать и прекращать выдавливание, температура сопла и печатной платформы, и так далее...

Это “преобразование” из координат вершин в команды печати -- довольно тяжелая в вычислительном смысле задача, и не может обрабатываться в реальном времени ограниченным процессором самого принтера во время печати, поэтому это должно быть сделано заранее на внешнем компьютере. Другая причина поступать таким образом в том, что такой процесс нарезки требует целого ряда дополнительных параметров, которые должны быть предоставлены пользователем (например, высота слоя -- это лишь самый очевидный, но еще много других), и графический интерфейс реального компьютера делает эту задачу гораздо проще, чем любой из небольших буквенно-цифровых дисплеев с несколькими кнопками, которые обычно находятся на 3D принтерах, если они вообще есть (многих принтеров не имеют интерфейса с пользователем, за исключением USB-подключения к ведущему компьютеру и, может быть, кнопкой питания).

Стандартная процедура нарезки, исходя из вышеописанного, приблизительно такова:

1. запустите программу слайсер на главном компьютере;

2. загрузите STL-файл модели;

3. преобразовывайте/масштабируйте/вращайте модель, пока она не будет правильно позиционирована на рабочей платформе;

4. введите все параметры необходимые для правильной печати;

5. начните процесс нарезки и ждите, пока не будет создан весь g-код;

6. отправьте g-код принтеру через USB соединение или скопируйте его на карту памяти (обычно SD или microSD карта), чтобы загрузить в принтер.

Первые два шага вполне очевидны, но третий может потребовать некоторой дополнительной информации. Программа нарезки сконфигурирована со всеми параметрами 3D принтера, которые могут понадобиться, поэтому она знает размеры печатной платформы и может продемонстрировать расположение модели относительно ее. Пользователь может переставлять модель в трех осях, пока она не будет центрирована, и не будет располагаться точно на поверхности основания (она не должна быть «подвешена в воздухе»), а также вращать ее, если нужно. Возможность масштабировать модель также очень полезна, потому что в файле STL единица длины никогда не определяется, поэтому может получиться так, что программа моделирования будет использовать сантиметры, в то время как слайсер ожидает миллиметры, и в результате получится модель в 10 раз меньше, поэтому необходимо учитывать этот фактор. Другая причина немного увеличить масштаб модели (примерно на 0.5 % для ABS, еще меньше для PLA) – это сжатие пластмассы при остывании при комнатной температуре (тепловой коэффициент расширения ABS обычно [46] около 75×10−6 °K-1, при условии его затвердевания при 100°C и охлаждения до 25°C, которое дает фактор сжатия примерно 0.5%).

На пятом шаге наша 3D-модель "нарезается" на множество горизонтальных слоев, превращаясь в стопку тонких деталей, каждая из которых обрабатывается отдельно, чтобы рассчитать лучший путь сопла при укладке расплавленной пластмассы в нужных местах; повторяя этот маршрут, печатающая головка практически проделывает такую же работу (т.е. слой за слоем).

Это самая ответственная часть целого процесса печати, потому что заключительное качество напечатанного объекта определяется почти полностью правильным выбором значений для множества различных параметров нарезки. Поэтому четвертый шаг действительно важен, и мы должны изучить значение, по крайней мере, самых важных параметров нарезки. К сожалению, они по-разному названы и определены в различных доступных программах нарезки. Здесь мы обсудим пять наиболее используемых (свободных)программ: Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, Cura и MakerWare (все доступны для Windows, Mac и Linux).

Лучший способ для экспериментов с параметрами нарезки, следование логической последовательности. Возможно, лучшая последовательность используется Slic3r: параметры, связанные с моделью принтера (они изменяются только когда изменяется принтер), другие связаны с использованием пластмассовой нити, и наконец, параметры, которые могут быть настроены для определенной печати.

1. Настройка параметров принтера:

• тип принтера / прошивки;

• размер и смещение основания печати, макс. высоты Z: типичные размеры границ печати обычных принтеров 20x20x20 см;

• количество экструдеров, диаметры их сопел, другие параметры экструдирования.

2. Параметры нити:

• диаметр нити: должен быть точным фактическим измерением, номинальной величины не достаточно для правильного расчета длины пластмассы для экструдирования;

• коэффициент пропорциональности (или множитель или плотность укладки): используется, чтобы компенсировать расширение пластмассы при расплавлении, 1 для PLA и 0.9 или меньше для ABS;

• температура экструдера и платформы (может отличаться для первого слоя)

• вентилятор охлаждения.

3. Параметры печати:

• высота слоя (может отличаться для первого слоя): обычно от 0.1 мм и до 80% размера сопла, типичное значение - 0.25 мм;

• количество оболочек/периметров или толщина стенок: увеличение этого значения делает объект более прочным;

• количество/толщина вершин/нижних слоев: тоже влияет на прочность объекта;

• процентное соотношение заполнения: количество пластмассы, используемой для большей части объекта, обычно от 0% (полые объекты) до 50% (твердые, очень прочные части), более 50% редко используется, и обычное значение приблизительно 10-20%;

• шаблон заполнения (infill pattern): узор, используемый для заполнения детали, обычно используют квадраты (прямолинейные) или шестиугольники;

• скорость печати (printing speed) (для различных задач): этот параметр связан с температурой сопла, температурой нити, типом нити и качеством сборки принтера (в т.ч. количеством смазки, использованной для осей и механизмов), небольшая скорость позволяет добиться лучшего качества печати;

• полоса (skirt) и край (brim): полоса - дополнительное количество пластмассы, выдавливаемой перед основной печатью, чтобы избежать начала печати с пустым соплом, край – дополнительное утолщение нити в первом слое, для лучшего приклеивания объекта к основанию;

• подложка (raft) и поддержка (support): подложка - другой способ улучшения прилипания объекта к платформе, подразумевает под собой одно/двух- слойную сетку из пластиковой нити, тогда как поддержка - специальная пористая структура из пластика, наращиваемая под нависающими частями объекта, без которой эти части не могут быть корректно построенными;

• другие расширенные настройки.

3D принтеры по технологии моделирования плавленным осаждением (Fused Deposittion Modelling - FDM) обычно не могут производить сталактито-подобных структур так же, как и слишком выступающих, если они не будут иметь опоры во время постройки. Если есть необходимость, то можно добавить к объекту очень тонкие опорные конструкции, которые можно по завершении печати сломать или срезать. Большинство слайсеров могут создавать подобные поддерживающие конструкции автоматически. Большинство принтеров обычно нормально справляются со свесами до 45 градусов без специальных настроек.

3D-модель следует повернуть так, чтобы уменьшить число выступающих частей (перед нарезкой), и можно направить вентилятор на деталь при печати, чтобы охладить нить сразу, как только она выйдет из сопла, до того, как она "поплывет" и нарушит отпечаток. Наконец, в слайсере можно включить использование поддерживающего материала, если необходимо. Это хлопотно, потому что расходуется больше пластмассы, печать занимает больше времени, и впоследствии Вам придется счищать поддерживающий материал ножом.

Как прежде упоминалось, различные программы нарезки могут иметь неодинаковые имена для схожих настроек, а иногда могут использовать параметры, которые определены совсем иначе (как число периметров/оболочек вместо толщины стенки и т.д.). Поэтому есть смысл разобраться в языке и определениях слайсера, который Вы собираетесь применять для своего принтера.

Теперь, давайте совершим краткий обзор пяти, наиболее используемых, бесплатных слайсеров (программ - генераторов G-кода):

• Skeinforge [47]: вероятно, старейший слайсер, это набор скриптов, написанных на Python, и выпущенный по лицензии GPL, был инструментом нарезки по умолчанию в оригинальном Makerbot Replicator (в составе программного обеспечения ReplicatorG) и многих RepRap 3D принтеров, и он все еще присутствует в качестве опции в MakerWare (программе, занявшей место ReplicatorG, для управления Makerbot принтерами последних моделей) и в другой простой (бесплатной) программе Repetier-Host. Пользовательский интерфейс не является дружественным, а некоторые настройки сбивают с толку.

• Slic3r [48]: современный, законченный и активно развивающийся инструмент нарезки с открытым исходным кодом, он широко поддерживается производителями принтеров и представлен ​​в качестве основного варианта в Repetier-Host. Он спасает пользователя от многих неприятностей в дальнейшем, благодаря возможности записи различных параметров нарезки в логически сгруппированные по различным предварительным настройкам.

KISSlicer [49]: имеет простой графический интерфейс, быстро работает и прост в эксплуатации, станет хорошим выбором для новичков 3D печати. Так же доступна "Про" версия, в которой имеется поддержка нескольких экструдеров и множества объектов (и еще несколько дополнительных полезных функций), по цене в $42 ($25 для использования в образовательных целях).

Cura [50]: разработана в Ultimaker с целью сделать 3D печать такой простой и последовательной, насколько это возможно. Она включает в себя все необходимое для подготовки 3D файла к печати и непосредственной реализации, и полностью настроена для работы с 3D принтером Ultimaker.

•MakerWare [51]: приятная и простая в использовании программа для управления принтерами Makerbot Replicator и Replicator 2, она имеет собственный механизм нарезки, оптимизированный для более качественного, быстрого и надежного результата. Кроме того, Skeinforge [47] может быть выбран как встроенный механизм нарезки.

Выбор среди различных программных инструментов нарезки не сводится лишь к личному предпочтению или списку возможностей различных вариантов: некоторые принтеры строго требуют использования определённых одного-двух слайсеров: например - Makerbot Replicator 2, его последнее ПО может использовать только новую и обратно-несовместимую версию g-кода, названного .x3g (прим. ред. специфичный G-код для двухэкструдерных принтеров). Таким образом, требуются MakerWare или ReplicatorG, только два слайсера, которые могут создавать такие файлы. В других случаях, производители принтеров могут давать строгую рекомендацию использовать определенный слайсер, как в случае с производителем принтеров Ultimaker и слайсером "Cura". Наконец, выбор слайсера может быть действительно свободным, и может вести к научным и тщательным сравнениям фактических результатов различных слайсеров, когда приходится иметь дело с некоторыми сложными моделями называемыми усложненными тестами (torture-tests) [52].

Пластмассовые расходные материалы (нить/пруток)

В настоящее время (весна 2013) существуют два вида пластика, широко используемых для недорогой 3D печати и несколько менее распространенных. Интересно то, что разрабатываются и тестируются многие виды пластика, имеющих куда более широкий диапазон физических, химических и механических характеристик, что открывает путь к использованию 3D печати в различных направлениях. Доступ к новым печатным материалам может круто изменить рынок прутков.

Пластиковые прутки производятся в двух стандартах: диаметром 1.75 мм и 3.0 мм. Трехмиллиметровый пруток - более старый стандарт, он постепенно вытесняется 1.75-миллиметровым, который выдавливается немного легче, управляется немного лучше и оставляет меньше висячих хвостов с боков вашего изделия. В любом случае, множество современных принтеров до сих пор используют 3 мм пруток, он, иногда, немного дешевле 1.75 - миллиметрового.

Полилактид (PLA)

Наиболее распространенная пластмассовая нить, сделанная из полимолочной кислоты (или полилактид (PolyLactide Acid) - сокращено PLA [53]), биоразлагаемый и экологичный пластик, получаемый из крахмала. Температура плавления в пределах 180–230 °C. Он не имеет неприятного запаха во время печати и его пары не опасны, поэтому не требуется специальных мер безопасности или принудительной вентиляции.

Он хорошо держится на печатном основании при комнатной температуре (не требуя более дорогого нагреваемого основания для принтера), но только если платформа покрывается синим скотчем (также недорогой продукт, который необходимо время от времени заменять – главным образом, потому что он иногда получает повреждения во время удаления объекта с платформы).

Объекты, напечатанные PLA, крепкие, но относительно хрупкие, и не могут использоваться при высоких температурах (как для некоторых частей самого 3D принтера).

Нить PLA довольно недорогая, ее стоимость в среднем 30$ за 1 кг, и она обычно продается в катушках по 0.5, 1 или 2.3 килограмма (но некоторые изготовители продают метрами) [54]. Она доступна в естественном (белый матовый) цвете или во множестве ярких цветов, чистых или полупрозрачных, отпечатанные объекты имеют красивую гладкую поверхность.

Специальный вариант PLA – мягкий или эластичный (soft/flexible) PLA, который выдавливается при низкой температуре и очень низкой скорости, может использоваться для печати гибких сочленений, лент, шин, и т.д.

[Прим.ред. начинает появляться и у китайских производителей]

АБС (ABS)

Вторая наиболее распространенная нить, изготовленная из акрилонитрилбутадиенстирола (Acrylonitrile Butadiene Styrene), кратко ABS [55]. Основанная на нефтепродуктах пластмасса, используемая для различных целей, одна из хорошо известных – это детали конструктора LEGO™. Её пары имеют ужасный запах (прим. ред. как жжёные пластиковые бутылки) и даже считаются опасными для здоровья, поэтому рекомендуется использовать принудительную вентиляцию для отвода продуктов горения пластика, когда печать ABS длится долгое время. Температура плавления ABS 210–260 °C.

Нить ABS стоит приблизительно как PLA и является также довольно распространенным материалом для печати, несмотря на его более высокие требования. Объект ABS обычно печатается на нагреваемом основании (в пределах 100°C), покрытом каптоновой пленкой, чтобы он хорошо держался, плюс стоимость и сложность самого принтера (поэтому, не все принтеры идут с нагреваемым основанием, это как недостаток, и у некоторых нет этого как опции). Возможное решение – это печать ABS на холодном основании, покрытом несколькими слоями клея: цианоакрилат, лак для волос [56] или клей на водной основе такой как Vinavil® [57], продемонстрировали хороший результат для этой цели. Но рекомендуется использование нагреваемого основания, потому что это помогает уменьшить деформацию больших печатаемых объектов.

Преимущество ABS по отношению к PLA состоит в том, что получающиеся объекты более прочные и менее хрупкие, и могут выдерживать высокие температуры. Нить ABS обычно доступна во многих цветах, включая блестящий, светящийся в темноте, золотой, серебряный, и даже цвет, который изменяется под влиянием температуры [58] (например, синий/зеленый ниже 30°C и желтый/зеленый выше, делают объекты, напечатанные такой нитью, чувствительными к температуре тела).

Нейлон

Taulman [59] производит нить 618 Nylon®, которая имеет несколько интересных особенностей, среди них гибкость, легкость и устойчивость к химическому воздействию. Она должна выдавливаться при более высокой температуре по сравнению с PLA или ABS (приблизительно 245 °C), но она не имеет паров или запахов, и хорошо держится на синей ленте. Используется для печати механических деталей, которым необходима высокая устойчивость к повреждениям и очень низкое поверхностное трение. Другая очень интересная возможность – использование для печати заказных протезов и деталей, связанных с медициной, так как нейлон инертный по отношению телу (но официально не подтверждено FDA*, по крайней мере, пока). Стоимость нейлоновой нити в два раза больше, чем стоимость PLA или ABS, единственный доступный цвет белый (естественный) и единственный источник – Taulman.

[Прим. ред. – FDA – федеральная комиссия США по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств, Food & Drug Administration]

Поликарбонат (PC)

Поликарбонат [60] (Polycarbonate - PC), очень прочный и долговечный пластмассовый материал с высокой оптической прозрачностью и высокой температурой плавления (приблизительно 270 - 300 °C). Несмотря на это используется во многих промышленных производствах (например, CD и DVD сделаны из поликарбоната). Первые тесты с дешевыми 3D принтерами начались только в 2012 [61] и пока есть лишь несколько производителей PC нити, продающих ее достаточно дорого, примерно 90$ за килограмм.

ПВС (PVA)

Поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol - PVA) – растворимый в воде пластмассовый полимер, который может использоваться для печати поддерживающих опор (для PLA и ABS объектов), легко растворяющихся в теплой воде, оставляя прекрасную поверхность объекта и упрощая процесс удаления опор (обычно довольно утомительный). Температура печати – приблизительно 170°C, никогда не должна превышать 200 °C. Нить PVA довольно дорогое удовольствие, продающаяся порядка 90$ за килограмм.

Ударопрочный полистирол (HIPS)

Ударопрочный полистирол (High-impact Polystyrene - HIPS)[62] – пластмассовая нить, растворяющаяся в лимонене, иногда используется для создания поддерживающих структур (особенно для ABS), которые могут быть легко удалены без механического воздействия. Лимонен – естественный растворитель, извлекаемый из корки лимонов и других цитрусовых. Температура печати HIPS приблизительно 230°C. Стоимость нити HIPS около 40$ за килограмм.

Другие виды пластмасс

LAYWOO-D3 – нить, на древесной основе, созданная недавно [63] (технически, это соединение древесины и полимера, содержащее переработанную древесину и связующие полимеры), может использоваться для печати объектов, которые похожи на настоящие деревянные детали (даже с типичными годичными кольцами). Все особенности – те же что и у PLA, но его цена пока очень высока, около 100$ за кг, а также придётся прибегнуть к некоторым ухищрениям [64], чтобы изменить цвет колец.

Наконец, было проведено несколько экспериментов с токопроводящей пластмассой [65], но сопротивление полученного продукта всё ещё довольно высокое, поэтому он не годится для коммерческого применения.

Печать

В этой части у нас должен быть тщательно подобранный принтер, готовый к торжественному запуску, нить подходящего для нашего принтера диаметра; типом и цветом, соответствующим нашему проекту, и файл g-кода, созданный программой-слайсером, должным образом сформированный согласно свойствам, которые мы хотели бы получить для нашего объекта. Теперь настало время включить принтер, соединить его с нашим компьютером и начать процедуру калибровки:

1. Первая проблема, которую надо решить,это определение правильных параметров соединения: большинство принтеров, несмотря на подключение через USB, внутри используют чип "USB-to-serial" для обеспечения последовательного потока данных (в стиле RS-232) к центральному процессору, и это значит, что скорость последовательного канала, количество бит старт/стоп и четности и процедура подтверждения связи должна соответствовать правильным значениям.

2. Когда, после нескольких проб и ошибок, связь установлена, мы можем начать посылать команды g-кода принтеру, чтобы проверить, работает ли все должным образом. Хорошая процедура калибровки должна включать проверку всех концевых датчиков, датчиков температуры (термисторов) и шаговых двигателей.

3. Когда все эти проверки пройдены, мы можем сделать выравнивание основания печати: в идеале – это платформа, которая является максимально плоской и параллельна осям, движущейся во всех направлениях печатающей головки. Чтобы добиться этого, пользователь должен двигать головку по всем направлениям, сравнивая ее вертикальное положение с платформой, и правильным уровнем последней, имеются в виду несколько винтов, поднимающих или опускающих четыре угла платформы.

4. После выравнивания, платформа должна быть тщательно очищена и покрыта необходимым видом поверхности: это может быть сделано одним или более слоями синей ленты (для PLA) или каптоновой лентой (для ABS), или подходящим материалом для других видов пластмассы.

5. Если мы собираемся использовать нить ABS, мы должны предварительно нагреть основание для печати (печатную платформу).

6. Следующий шаг требует загрузки нити: это потребует нагрева печатающей головки (т.е. сопла) и действия механизма экструдера: или вручную или путем активации шагового двигателя экструдера. После выдавливания небольшого количества пластмассы мы будем уверены, что сопло заполнено пластмассой, и готово к печати.

7. Теперь мы должны загрузить g-код для объекта, который мы хотим напечатать, отправив его посредством USB или сохранив файл на SD (или micro SD) карте, а затем загрузить его на принтере (если у него есть встроенное устройство считывания с карт - картридер).

8. Наконец, мы можем начать печать. Это был долгий путь, и мы заслужили отдых, и возможно даже кофе, пока мы ждем, когда принтер закончит, и из пластмассовой нити будет создан объект.

Время печати небольшого полого объекта, шириной несколько сантиметров может быть примерно 10-20 минут, в то время как для объекта размером с яблоко время ожидания может увеличить до одного часа и даже больше (это зависит от разрешающей способности, заполнения и скорости принтера). Печать больших объектов может занять 10 часов, а если они достаточно сложные или со сплошным заполнением, то процесс может длиться 50 и более часов...

В качестве предостережения. Оставлять 3D принтер без присмотра во время печати опасно, т.к. некоторые его детали будут постоянно оставаться при температуре 200ºC или более, расплавленная пластмасса будет выдавливаться горячим соплом, в непосредственной близости от электричества, движущихся деталей, работающих двигателей и зачастую деревянной рамы, которая мало защищена от огня. Если что-то пойдёт не так, 3D принтер может быть столь же опасен, как лазерный принтер со всеми его горячими элементами.

Скорее всего, мы закончим лишь с большой кашей из пластмассы, которая мало похожа на нашу начальную модель [66] . И наконец, после нескольких попыток, наше вознаграждение - успешная распечатка нашей идеи, которая теперь стала реальным 3D объектом, после которого мы можем продолжить, ставя новые эксперименты с еще более лучшими результатами.

Завершение

После того, как принтер закончил печатать объекта, стоит дать ему несколько минут, чтобы все его части остыли, а в случае с ABS будет намного легче отделить объект от основания. Затем, при помощи острого ножа или лезвия резака, вам придется удалить подложку и/или поддерживающие опоры.

В дополнение, хотелось бы отметить, если необходима глянцевая поверхность, то поверхность объекта можно отполировать при помощи наждачной бумаги (но осторожно, т.к. это может повредить гладкую поверхность), или химических растворителей (т.е. испаряющийся ацетон [67] для ABS и другие растворители [68] для PLA – осторожно, потому что некоторые химикаты очень ядовиты), нагреванием (имеется в виду горячая воздуходувка) или даже покрыть прозрачным или непрозрачным слоем краски.

Заключение

Когда эта статья редактировалась, мне сказали, что неопытный человек, прочитав её до того, как успеет попробовать напечатать 3D-объект с помощью дешёвых технологий, придёт в уныние и уже не захочет пытаться. У него может сложиться впечатление, что это будет тяжёлый опыт, который скорее всего окончится полным провалом. Поэтому я чувствую необходимость внести поправку в это представление и ободрить всех читателей к тому, чтобы они приняли вызов. Я уверен, что всё пройдёт успешно, и они увидят истинное достоинство этой технологии — тот факт, что она доступна любому, у кого есть немного терпения и готовность узнать что-то новое.

3D печать в домашних условиях, при помощи недорогих машин, и возможно в будущем, с переработкой пластмассовых отходов[69] - действительно новинка даже для сегодняшнего технологического мира. Это также переворот в наших взглядах на самих себя: способность создать что-то новое, только при помощи нашего воображения и с помощью некоторых доступных и простых в использовании механических помощников (они наши друзья, потому что мы знаем все их внутренние механизмы). Мы знаем, что мы сможем открыть дверь в невероятное будущее индивидуально изготовленных устройств и новых приложений, которые сегодня мы не можем даже представить. Новый мир начнется с нас.

Примечание: Все цены и характеристики, упомянутые в этой статье, были проверены на момент написания (апрель 2013).

Благодарности

Автор хотел бы выразить благодарность Даниэлю Пьетроземоли (Daniel Pietrosemoli) за то, что открыл ему чудесный мир доступной дешевой 3D печати. Эрманно Пьетроземоли (Ermanno Pietrosemoli) за помощь в установлении канала связи между мной и Даниэлем. Энрике Канесса (Enrique Canessa) за его богатый поток идей, новых испытаний и его веры в силу научного подхода решить технические проблемы, возникающие во время 3D печати, некоторых довольно сложных математических объектов. Джонатана Гэтти (Jonathan Gatti) за его постоянную помощь и поддержку такой печати. И наконец, но не в конце, Гаю Фьйор (Gaya Fior), и её драгоценную поддержку и множество исправлений, которые она сделала к моему замысловатому итальянскому английскому, для того, чтобы собрать (вместе с Джонатаном и Эрманно) большинство моих принтеров, когда я был занят, готовя другой материал, а также исследования, которые она сделала по программам 3D моделирования и хранилищам моделей, которые я широко использовал для написания этой статьи.

Ссылки

1 http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_printing
2 http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
3 http://en.wikipedia.org/wiki/Stratasys
4 http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling
5 http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering
6 http://en.wikipedia.org/wiki/Powder_bed_and_inkjet_head_3d_printing
7 https://archive.fosdem.org/2010/interview/adrian-bowyer
8 http://adrianbowyer.net
9 http://reprap.org
10 http://en.wikipedia.org/wiki/Maker_culture
11 http://bits.blogs.nytimes.com/2013/02/17/disruptions-3-d-printing-is-on-the-fast-track/
12 http://www.wired.com/design/2012/09/how-makerbots-replicator2-will-launch-era-of- desktop-manufacturing/all/
13 http://en.wikisource.org/wiki/Barack_Obama's_Fifth_State_of_the_Union_Address
14 http://www.sketchup.com
15 http://www.freecadweb.org
16 http://www.blender.org
17 http://labs.autodesk.com/technologies/fusion
18 http://www.openscad.org
19 http://pixologic.com/sculptris/
20 http://www.123dapp.com/design
21 https://tinkercad.com
22 http://www.3dtin.com
23 http://shapesmith.net
24 http://www.cubify.com/apps.aspx
25 http://www.thingiverse.com
26 http://www.123dapp.com/Gallery/
27 http://www.3dcadbrowser.com
28 http://grabcad.com/library
29 http://www.shapeways.com/gallery
30 http://sketchup.google.com/3dwarehouse/
31 http://www.3dvia.com/users/models
32 http://reprap.org/wiki/Build_A_RepRap
33 http://reprap.org/wiki/Rostock
34 http://www.ultimaker.com
35 http://printrbot.com
36 http://www.makerbot.com
37 http://www.solidoodle.com
38 http://www.pp3dp.com
39 http://cubify.com/cube/
40 http://blog.makezine.com/volume/make-ultimate-guide-to-3d-printing/
41 http://netfabb.com/basic.php
42 http://www.3daddfab.com/blog/index.php?/permalink/Automatically-Repair-STL-Files-in-2- Minutes-with-netfabb.html
43 http://3daddfab.com/blog/index.php?/permalink/Use-netfabb-to-Manually-Repair-STL- Holes-Edges-and-More.html
44 http://meshlab.sourceforge.net
45 http://www.shapeways.com/tutorials/polygon_reduction_with_meshlab
46 http://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-coefficients-d_95.html
47 http://fabmetheus.crsndoo.com/wiki/index.php/Skeinforge
48 http://slic3r.org
49 http://kisslicer.com
50 http://wiki.ultimaker.com/Cura
51 http://www.makerbot.com/makerware/
52 http://solidoodletips.wordpress.com/2012/12/04/slicer-torture-test/
53 http://reprap.org/wiki/PLA
54 http://www.faberdashery.co.uk/products-page/
55 http://reprap.org/wiki/ABS
56 http://www.protoparadigm.com/blog/2013/03/testing-aqua-net-hair-spray-for-3d-printer- bed-adhesion/
57 http://www.ivanbortolin.it/?p=752 (in italian)
58 http://afinia.3dcartstores.com/ABS-175-mm-Filament--Color-Change-BlueGreen-to- YellowGreen_p_40.html
59 http://www.taulman3d.com/618-specifications.html
60 http://reprap.org/wiki/Polycarbonate
61 http://www.3ders.org/articles/20120101-experiment-polycarbonate-with-diy-3d- printer.html
62 http://www.filaco.com/product-info/
63 http://www.3ders.org/articles/20130204-wood-filament-laywoo-d3-suppliers-and-price- compare.html
64 http://www.tridimake.com/2012/10/shades-of-brown-with-wood-filament-via.html
65 http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0049365
66 http://www.thingiverse.com/thing:44267/copies
67 http://blog.reprap.org/2013/02/vapor-treating-abs-rp-parts.html
68 http://www.thingiverse.com/thing:74093
69 http://www.perpetualplasticproject.com/Perpetual_Plastic_Project/Project.html

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/41907/160838

Переводчики: Woolpit, fidller_fly, alex_itz, radical_dreamer

aks_id, Ainuriel