Принцип работы и техническая реализация 3D-принтеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

РЕФЕРАТ

Принцип работы и техническая реализация 3D-принтеров

по дисциплине: Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Санкт-Петербург 2015

Оглавление

Введение

1. История

2. Конструкция 3D-принтера

3. Принцип работы 3D-принтеров

4. Технологии работы 3D-принтера

Вывод

Введение

3D-принтер - это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. В иностранной литературе такой тип устройств также называют фабберами, а сам процесс 3D печати - быстрым прототипированием (Rapid Prototyping).

Другими словами 3D-принтер это специальное устройство, которое способно создать реальный объект по 3D модели, созданной на компьютере. В начале на компьютере в специальной программе создается модель предмета, после чего цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, а при выводе этого файла на печать 3D-принтера мы получаем реальное изделие.

Процесс печати представляет собой ряд повторяющихся циклов, т.е. нанесение на рабочий стол принтера слоев расходного материала один за другим, следствием нанесение нового слоя на предыдущий. Эти циклы не прерывны. Разнообразие форм слоя достигается за счет подвижности рабочего стола и экструдера. Экструдер это часть 3D-принтера, приспособление выдавливающее через отверстие расходный материал. Работа 3D-принтера будет происходить до тех пор, пока все слои не будут нанесены и на рабочем столе не появится готовый предмет. С помощью этого устройства можно создать буквально все что угодно.

1. История

О 3D печати стали говорить только последние несколько лет, в действительности эта технология существует уже достаточно давно. В 1984 году компания Charles Hull разработала технологию трёхмерной печати для воссоздания объектов с использованием цифровых данных, а уже через 2 года дала название и запатентовала технику стереолитографии. Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D принтер.

После чего компания 3D Systems, разработала в 1988 году модель принтера для 3D печати в домашних условиях SLA - 250.

В том же году компания Scott Grump изобрела моделирование плавлеными осаждениями. После нескольких лет тишины, в 1991 году компания Helisys разрабатывает и выпускает на рынок технологию для производства многослойных объектов, а уже через год, в компании DTM выходит первая система селективного лазерного спаивания.

Далее, в 1993 году основывается компания Solidscape, которая приступает к серийному производству принтеров на струйной основе, которые способны производить небольшие детали с идеальной поверхностью, при относительно небольших затратах.

Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D принтеров. Но, пожалуй, пик развития и популярности 3D печати всё же пришёлся на 21 век.

В 2005 году появился первый 3D принтер, способный печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.

В наше время технология 3Dпечати все больше и больше набирает свои обороты, как на производствах, так и просто в быту. Кто бы мог подумать раньше о том, что в домашних условиях можно будет распечатывать реальные объекты с компьютерной 3D модели. А разнообразие сфер применения и используемых материалов действительно заставляем задуматься, пусть многие технологии находятся только в начале своего пути, но то, что мы имеем на данный момент уже поражает. Уже были попытки с помощью 3D-принтера построить дом, создавалась одежда, еда и даже органы. В данной технологии уже начали использовать биоматериалы, например в России с помощью этих технологий был разработан и создан коленный сустав для эндопротезирования.

2. Конструкция 3D-принтера

Рассмотрим 3D-принтер с техникой печати-FDM. Основными частями принтера являются металлический корпус (каркас), отсек для закрепления катушки (катушек) с пластиковой нитью, экструдер (устройство подачи пластика путем выдавливания) и рабочий стол. От количества экструдеров зависит цена принтера, чем больше экструдеров тем выше цена. Почему так происходит? Всё очень просто, 3D-принтеры с одним экструдером могут печатать только одним цветом, а вот 3D-принтеры с несколькими экструдерами способны печатать многоцветные объекты. В корпусе принтера находится электроника и системы подогрева и охлаждения. Некоторые модели принтера оснащены ЖК-дисплеями на которых отображается текущая информация о печати, также могут иметься USB разъемы для работы с носителями.

Рисунок 1. Устройство 3D-принтера

3. Принцип работы 3D-принтеров

«Трехмерная печать» - звучит довольно необычно, но с точки зрения технологии сам процесс довольно обыденный и простой. Трехмерный объект формируется слой за слоем, которые накладываются друг на друга, образуя монолитную структуру. «Строительным» материалом на данный момент оборудование этого класса, может являться фотополимерные смолы, различные виды пластиковой нити, керамические порошки и металлоглина.

Для начала мы определяем что мы хотим распечатать на 3D-принтере. И создаем модель этого предмета в специальной программе. Существует несколько специальных программ для создания 3D моделей. Примером таких программ являются Design Spark Mechanical и Rhinoceros 3D.

В программе создается объёмный чертеж будущего предмета в трех плоскостях (x,y,z) и задаются размеры будущего предмета, а именно высота, длинна и ширина. Другими словами задаются конкретные величины (параметры) элементов будущего объекта. После чего объемный чертеж (модель) сохраняется в формате STL.

Далее сохраненный файл открывается в программе ZPrint. Эта программа разделяет (рассекает) всю 3D модель на слои. Так же в программе можно изменить или задать масштаб будущего предмета в целом. Толщина слоя зависит от вида 3D-принтера и материала используемого им.

После разделения модели на слои программа записывает параметры слоя в виде кода. Каждый слой имеет свой код. Коды сохраняются в строгой последовательности один за другим, дабы добиться целостности изготавливаемого объекта и его непосредственной идентичности. После чего коды один за другим передается в память принтера и после чего начинается печать.

На принтер поступает код слоя, в котором заложены параметры объекта/форма ,т.е. код программирует принтер на создание определенной фигуры в плоскости (2D). Этот принцип чем то похож на печать обычного принтера. После печати первого слоя принтер получает код второго и начинает печатать, уже другую фигуру заданную вторым кодом и т.д.

А уже после печати последнего кода мы видим готовый объект по 3D модели, созданной на компьютере.

принтер 3d печать

4. Технологии работы 3D-принтера

Лазерная стереолитография (SLA) - объект создается из специального жидкого фотополимера, твердеющего под воздействием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение образовывает на поверхности текущий слой разрабатываемого предмета, затем объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.

Селективное лазерное спекание (DMLS) - предмет создается из плавкого порошкообразного материала (пластик, металл) посредством его плавления под воздействием лазерного излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (обычно специальным выравнивающим валиком), далее лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого предмета. После чего платформа опускается на толщину 1 слоя и на неё снова наносится порошковдный материал. Эта технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого предмета за счёт заполнения пустот порошком. Для уменьшения нужной для спекания энергии температура рабочей камеры обычно поддерживается на уровне едва ниже точки плавления рабочего материала, а для того что бы избежать окисления весь процесс происходит в бескислородной среде.

Электронно-лучевая плавка - сходна с технологиями SLS/DMLS, только в данном случае предмет создается путём плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.

Моделирование методом наплавления - предмет формируется путём послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подаётся в экструзионную головку, та в свою очередь выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого предмета. Затем платформа опускается на толщину 1 слоя, чтобы можно было нанести следующий слой. Нередко в данной технологии участвуют 2 рабочие головки - одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая - материал поддержки.

Изготовление объектов с использованием ламинирования (LOM) - предмет формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) необходимых контуров на каждом слое. Благодаря отсутствию пустот данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого предмета, но иногда удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) может вызывать затруднение.

Вывод

3D-печать - это действительно самая революционная технология нашего времени. С её помощью можно напечатать все что угодно: одежду, мебель, еду, дома, различную технику и инструменты и даже человеческие органы и ткани.

Существует очень много технологий 3D-печати. Но принцип их работы схож, это наложение слоев друг на друга, а разница заключается лишь в способе наложения слоёв изделия. В настоящее время существует и используется два механизма работы струйный и лазерный.

Хотелось бы отметить, что данная технология имеет явное преимущество перед ручным способом построения модели это высокая скорость и точность исполнения. Так же эта технология уменьшает затраты на производства. Одним словом 3D-принтер это поистине прорыв в сфере производства и строительства.

Список использованных источников

Ст. «Что такое 3D печать и 3D принтер» [В Интернете] [Цитировано: Декабрь 2014] http://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-pechat/

Ст. 2014г. «Принцип работы 3D принтера» [В Интернете] http://pechat3d.ru/princip-raboty-3d-printera

Ст. «Что такое 3D печать и 3D принтер» [В Интернете] http://ussur-city.ru/obschestvo-i-kultura/304-administraciya-opredelila-pobediteley-konkursa-na-luchshee-novogodnee-oformlenie-v-ussuriyske.html

Размещено на Allbest.ru