Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2013
Михаил Русских
Дается краткое описание 3D принтеров ценового диапазона ниже $1000, приводятся советы по настройке и использованию принтеров, рассматриваются наиболее популярные бесплатные программы для создания трехмерных моделей для печати.
Принтеры, представленные на рынке (стоимостью ниже $1000)
Здесь будут описаны 3D принтеры, цену на которые производители установили ниже $1000, что позволяет отнести эти устройства к бюджетному классу. Следует заметить, что низкая цена не обязательно означает плохое качество печати. Некоторые бюджетные модели по точности и скорости печати вполне могут обойти принтеры высокой ценовой категории. Однако, из-за уменьшения объема принтера, вызванного необходимостью сокращения количества материалов, требуемых для его изготовления, размеры рабочей области в большинстве случаев невелики. Бюджетные принтеры можно порекомендовать энтузиастам, желающим быстрее освоить ремесло печати трехмерных объектов, потратив на это небольшую сумму.
UP! mini
Китайская компания PP3DP [1], помимо принтера UP!, выпустила компактный бюджетный принтер UP! mini (Рисунок 1). В отличие от своего старшего собрата, UP! mini в отношении качества печати получил меньше нареканий со стороны пользователей. Этот принтер благодаря прочному металлическому корпусу выглядит как стильное офисное решение, а небольшой вес позволяет брать его с собой куда угодно, хотя UP! mini весит на 1 кг больше, чем UP!. Поддерживается печать как ABS, так и PLA. В качестве недостатка можно отметить малую область печати.
- Размер рабочей области: 120 × 120 × 120 мм
- Толщина слоя: опционально 0.2/0.25/0.3/0.35 мм
- Скорость печати: от 10 до 100 см3/ч
- Габариты: 24.5 × 26 × 35 см
- Вес: 6 кг
- Стоимость: $899
 |
|
| Рисунок 1. | UP! mini. |
Solidoodle 3
Это последняя на сегодняшний день версия (Рисунок 2) принтера семейства Solidoodle американской компании Solidoodle LLC [2]. От своих предшественников Solidoodle 3 отличается бóльшим размером области печати. По точности печати и толщине слоя принтер сравним с MakerBot Replicator 2, но стоит намного дешевле, поэтому те, кому не по карману Replicator, вполне могут довольствоваться этим принтером.
- Размер рабочей области: 203 × 203 × 203 мм
- Толщина слоя: от 0.1 до 0.3 мм
- Погрешность по осям X и Y: 0.011 мм
- Габариты: 34 × 36 × 36 см
- Вес: 8 кг
- Стоимость: $799
 |
|
| Рисунок 2. | Solidoodle 3. |
Printrbot Jr и Printrbot LC
Принтеры Printrbot Jr (Рисунок 3) и Printrbot LC выпускаются компанией Printrbot Inc. [3], основанной Бруком Драмом (Brook Drumm). Начав в 2011 году компанию на кикстартере, он задался целью построить компактный и недорогой 3D принтер для домашнего использования. Оба принтера имеют приемлемую точность печати и небольшой вес. Однако Printrbot Jr не предполагает печать ABS, так как в данной конструкции подогреваемая платформа не используется, а Printrbot LC может печатать и PLA, и ABS, и, следовательно, стоимость его выше.
Printrbot Jr:
- Размер рабочей области: 114 × 140 × 100 мм
- Толщина слоя: 0.1 мм
- Погрешность по осям X и Y: 0.1 мм
- Габариты: 25.4 × 25.4 × 15.4 см
- Вес: 2.9 кг
- Стоимость: $499 в собранном виде, $399 за набор
Printrbot LC:
- Размер рабочей области: 150 × 150 × 150 мм
- Толщина слоя: 0.1 мм
- Погрешность по осям X и Y: 0.1 мм
- Габариты: 36 × 31 × 31 см
- Вес: 8.2 кг
- Стоимость: $799 в собранном виде, $649 за набор
 |
|
| Рисунок 3. | Printbot Jr. |
Portabee
Само название этого принтера сингапурской компании Portabee 3D Printer [4] говорит о его портативности и легкости (Рисунок 4). Уникальной особенностью данного устройства с открытой конструкцией является возможность очень быстро (за несколько минут) разобрать его и положить в сумку (подойдет даже чехол для ноутбука). В собранном виде его размеры составляют 360 × 300 × 96 мм. Несмотря на это, принтер обладает вполне приемлемым качеством печати и использует ABS и PLA. Кроме того, Portabee является open-sourse проектом и активно поддерживается своим сообществом.
- Размер рабочей области: 120 × 120 × 120 мм
- Толщина слоя: 0.2…0.3 мм
- Скорость печати: 43 мм/с
- Погрешность по осям X и Y: 0.1 мм
- Вес: 2.8 кг
- Стоимость: $499 за набор
 |
|
| Рисунок 4. | Portabee. |
MakiBox
MakiBox (Рисунок 5) – это проект дизайнера Джонатана Буфорда (Jonathan Buford) [5], решившего, как и Брук Драм, создать качественный, компактный, стильный, а главное, очень дешевый принтер. Устройство имеет закрытый корпус, благодаря чему внутри поддерживается оптимально высокая для печати температура. Двигатели и электронная начинка отдалены от рабочей камеры и имеют активное охлаждение. Кроме того, Буфорд сделал еще одно необычное нововведение. Он отказался от ремней и шкивов, традиционно использующиеся для приведения в движение печатающей головки в большинстве принтеров, заменив их червячной передачей, применяемой, в основном, для перемещения платформы вдоль оси Z. Это позволило удешевить конструкцию. Принтер MakiBox предлагается в трех вариантах: A6 LT, A6 HT Acrylic и A6 HT Stainless. Самый дешевый MakiBox A6 LT не располагает подогреваемой платформой, поэтому может печатать только PLA. Модель A6 HT Acrylic имеет подогреваемую платформу, поэтому стоит на $100 дороже. Вариант A6 HT Stainless в отличие от A6 HT Acrylic выполнен в прочном стальном корпусе.
- Размер рабочей области: 150 × 110 × 90 мм
- Толщина слоя: от 0.04 до 0.3 мм
- Скорость печати: 100 мм/с
- Погрешность по осям X и Y: 0.004 мм
- Габариты: 29 × 23.5 × 23.5 см
- Стоимость (A6 LT / A6 HT Acrylic / A6 HT Stainless): $200 / $300 / $350
 |
|
| Рисунок 5. | MakiBox A6 HT Acrylic. |
Полезные советы по использованию 3D принтера
Поскольку печать трехмерных объектов представляется довольно новым и неизведанным направлением, особенно в нашей стране, начинающим будет полезна информация, которая поможет правильно настроить принтер и организовать качественную печать.
Калибровка
После доставки, распаковки и установки принтера на рабочем месте в первую очередь, если имеется возможность, необходимо удостовериться, что все двигатели, электроника, печатающая головка не повреждены, находятся на своем месте и прочно закреплены. Также следует проверить целостность лент, передающих движение валов двигателей рабочему органу, и проводов на наличие разрывов или отпаек. Кроме того, рекомендуется проверить все болты и, по возможности, подтянуть их. В основном это касается RepRap-подобных устройств, сборка которых могла выполняться либо низкоквалифицированным персоналом, либо в спешке.
Перед началом печати нужно откалибровать устройство, поскольку, даже если производитель сделал это и протестировал изделие перед отправкой, есть вероятность, что в процессе транспортировки калибровка была нарушена. Данная процедура довольно проста и сводится к тому, что в начале печати платформа должна располагаться максимально близко к печатающей головке, но не вплотную. Дело в том, что в самом начале работы принтер должен убедиться, что все рабочие органы находятся в нулевом положении, относительно которого и будет вестись дальнейший расчет координат. Для этого он перемещает платформу и печатающую головку к концевым выключателям, при контакте с которыми управляющей электронике подается сигнал о достижении нулевого положения. Если в таком положении платформа находится достаточно далеко от сопла, пластик может литься вниз со смещением. Если же платформа слишком приближена к соплу, то само сопло в процессе печати будет сталкиваться с уже напечатанным и затвердевшим слоем. И то и другое приводит к неудовлетворительному качеству модели. Таким образом, нужно обеспечить необходимое расстояние между платформой и соплом, равное или немного большее толщины слоя. Для этого надо подвинуть платформу на высоту, когда сработает концевой выключатель (Рисунок 6). Затем следует выровнять платформу строго горизонтально и убедиться, что обеспечивается требуемое расстояние. Например, при толщине слоя 0.1 мм в промежуток можно пропустить лист бумаги (обычно его толщина 0.1 мм). Если он свободно проходит, но и не «гуляет» вверх-вниз, то расстояние можно считать удовлетворительным.
 |
|
| Рисунок 6. | Концевой выключатель. |
Усовершенствование платформы
Поскольку печать моделей ведется разогретым до высоких температур материалом, закономерным явлением будет прилипание этой модели к поверхности платформы. Ее желательно отслаивать с помощью специальной лопатки с заостренными краями. При постоянном использовании принтера внешний вид платформы может испортиться из-за появления мелких царапин, вмятин, кусочков пластика, что сделает ее непригодной для качественной печати. Чтобы избежать этого, платформу обычно покрывают дополнительным материалом.
В случае печати ABS-пластиком поверхность обклеивают изоляционной лентой, выполненной из каптона, термостойкого материала, сохраняющего стабильность в высоком диапазоне температур (от −273 до +400 °C). При использовании ABS температуру плавления, как правило, устанавливают 220-240 °C, а температуру нагрева платформы 100-120 °C для того, чтобы края модели не отклеивались и не деформировались.
Печатая PLA, можно поверх платформы установить кусок стекла, который совпадал бы с ней по размерам. Стекло крепят с помощью канцелярских скрепок или прищепок. Температура плавления PLA меньше, чем ABS, поэтому в данном случае печатающий элемент разогревают до 180-220 °C, а для более качественной печати также подогревают и платформу до 65-75 °C.
Смещение слоев
В процессе печати при неудовлетворительных температурных условиях качество модели может ухудшаться, особенно при печати ABS. Даже если первые слои напечатались отлично, следующие в дальнейшем могут смещаться, также возможно образование видимых щелей. Это происходит из-за недостаточного остывания предыдущего слоя в момент наложения на него следующего. Безусловно, предыдущий слой может иметь повышенную температуру относительно комнатной, и это помогает ему «схватиться» со следующим, но чрезмерный перегрев способствует его «уплыванию».
Существуют два способа избежать таких последствий. Самый простой – уменьшить скорость движения печатающей головки. Тогда предыдущий слой успеет остыть раньше, чем на него будет наложен следующий. Второй способ предполагает организацию активного охлаждения модели при печати, при котором на объект будет подаваться необходимое количество воздуха. Естественно, проблему лучше решить первым способом, поскольку он не требует серьезных затрат, хотя время создания модели увеличится. К тому же, если вентилятор будет дуть непосредственно на печатающий элемент, это может привести к его недопустимому охлаждению, что будет препятствовать нормальному выдавливанию пластика. Обдув платформы так же нежелателен, поскольку модель к ней может не прилипнуть и «гулять» во время печати. Таким образом, при организации активного охлаждения нужно предусмотреть различные нюансы.
Сглаживание напечатанной модели
Поскольку принтер печатает объект, накладывая пластик послойно, в силу невысокого разрешения принтера переходы между слоями можно заметить невооруженным глазом или определить на ощупь. Для того чтобы сгладить модель и привести ее к, так сказать, товарному виду, применяют ацетон. Суть метода состоит в том, что пары ацетона постепенно выравнивают поверхность объекта, и переход между слоями исчезает. Для этого необходима плита или платформа с подогревом, банка и ацетон. Налитый на дно банки ацетон разогревают до температуры 90-110 °C, затем в эту банку помещают модель на время, которое зависит от размера модели (обычно 5-20 минут). Не следует надолго оставлять объект в банке, чтобы избежать чрезмерного оплавления. Примеры работ, сглаженных с помощью ацетона, можно посмотреть по ссылкам [6, 7, 8].
3D редакторы
Как и при использовании обычного принтера, где тексты создаются различными редакторами вроде Microsoft Word, OpenOffice, WordPad, так и для создания трехмерных моделей используют специальные 3D редакторы. Требования, предъявляемые к таким редакторам разработчиками моделей, различны и зависят от уровня их мастерства, сложности проекта, доступности программы и качества поддержки, но основным требованием является возможность сохранения результата в формате, который поддерживает слайсер принтера. Для большинства слайсеров таким форматом является stl.
На сегодняшний день существует огромное количество 3D редакторов. Самыми популярными считаются 3D Studio Max и Maya. Они предоставляют широкие возможности для моделирования, но для создания модели для печати они весьма избыточны и сложны. В первую очередь, эти редакторы предназначены для разработчиков компьютерных игр, аниматоров и специалистов по спецэффектам. Для профессиональных инженеров отличным решением будет САПР Autocad версии 2010 и выше, в которой реализованы все необходимые функции для работы с трехмерными объектами. Но стоит заметить, что это довольно сложная в освоении программа. Кроме того, значительным минусом этих редакторов с точки зрения рядового пользователя является их стоимость – более $3000 на одно рабочее место. Поэтому ниже будут представлены бесплатные программы, подходящие для создания моделей для 3D печати. Следует упомянуть, что в некоторых случаях проще и быстрее найти необходимую модель в сети, например на репозитории бесплатных моделей [9], чем рисовать ее самому.
SketchUp
Это, пожалуй, самая популярная программа [10] среди энтузиастов. Она чрезвычайно проста в освоении, имеет интуитивно понятный интерфейс (Рисунок 7) и позволяет очень быстро создавать несложные объекты. Существуют две версии редактора – бесплатная базовая (SketchUp Make) и профессиональная (SketchUp Pro) стоимостью $590. Для нужд моделирования трехмерных объектов для печати функционала базовой версии вполне достаточно. Единственным ее минусом является невозможность сохранения в формате stl, но это устраняется установкой специального плагина [11] в каталог SketchUpPlugins, после чего во вкладке Tools появляется опция Export to STL.
 |
|
| Рисунок 7. | SketchUp Make. |
3DTin
3DTin – очень простая программа [12]. Уникальной ее особенностью является то, что она запускается из браузера (Рисунок 8), то есть установка на жесткий диск не требуется. При этом браузер должен поддерживать технологию WebGL. В библиотеке редактора имеется множество бесплатных моделей, и сам он активно поддерживается сообществом. Экспортировать модель можно в форматы stl, dae, obj и png. Возможность сохранения/экспорта моделей доступна только после регистрации.
 |
|
| Рисунок 8. | 3DTin. |
Blender
Blender [13] представляет собой бесплатный, но в то же время очень мощный пакет для создания трехмерной графики. Его интерфейс (Рисунок 9) достаточно сложен для понимания, и для моделирования простых объектов функционал этого редактора может быть избыточным. Но для создания более сложных моделей (фигурок людей и животных, механизмов, зданий) он прекрасно подойдет. Кроме того, имеется большое количество инструкций и статей, призванных помочь в освоении этой программы. Также постепенно растет список поддерживаемых для экспорта форматов, среди которых уже есть stl, obj, dxf, 3ds, x3d.
 |
|
| Рисунок 9. | Blender. |
Autodesk 123D
Компания Autodesk не могла обойти стороной бум 3D печати и выпустила собственный бесплатный продукт Autodesk 123D [14]. По своим возможностям и простоте эта программа схожа с SketchUp, и, как 3DTin, она может запускаться непосредственно из браузера (Рисунок 10), сам браузер должен поддерживать WebGL. Возможность экспорта в формат stl также присутствует. Интересной особенностью редактора является функция создания трехмерной модели по фотографиям объекта, сделанным с разных ракурсов. Однако такая процедура довольно сложна и не дает точного результата.
 |
|
| Рисунок 10. | Autodesk 123D. |
Заключение
Появление 3D принтеров, доступных практически каждому, может существенно повлиять на сферу производства и сбыта товаров или, как минимум, внести в нее свои коррективы. Например, вместо того, чтобы искать в магазинах нужную пластмассовую деталь от автомобиля, пользователь 3D принтера сможет ее просто напечатать. Бурное развитие отрасли печати трехмерных объектов и поддержка ее со стороны многочисленного инженерного сообщества всего мира указывает на то, что эта технология только начинает раскрывать свой потенциал перед человечеством и, возможно, в будущем сможет стать частью наших производственных, экономических и культурных отношений.
Список источников
