Урок 1. Как работает 3D-печать: FDM и фотополимерные принтеры

Любой 3D-принтер делает одно и то же: строит деталь тонкими слоями, один поверх другого. Различается то, из чего и как получается каждый слой. В этом уроке — два самых распространённых вида: FDM, который печатает расплавленным пластиком, и фотополимерный, который засвечивает жидкую смолу.

Путь от модели до детали

1. Модель — трёхмерный файл детали, чаще всего в формате STL или 3MF. Её скачивают из каталога или рисуют сами.
2. Слайсер (от английского slice — нарезать) — программа на компьютере. Она режет модель на слои и рассчитывает, куда и с какой скоростью двигаться принтеру.
3. Файл для принтера. Для FDM это G-code — текстовый список команд: «нагреть сопло до 210 °C», «переместиться в точку X=10, Y=20, выдавив столько-то пластика». Фотополимерные принтеры получают свой формат — набор картинок слоёв.
4. Печать. Файл попадает в принтер с карты памяти, флешки или по сети, и принтер выполняет его от первого слоя до последнего.

Сам принтер модель «не понимает»: он только выполняет команды. Поэтому большая часть настройки качества — это настройка слайсера.

FDM: печать пластиковой нитью

FDM (Fused Deposition Modeling — моделирование наплавлением) — самый распространённый вид домашних принтеров. Тот же способ называют FFF (Fused Filament Fabrication): FDM — торговая марка одной компании, поэтому в открытых проектах прижилось второе название. Это одно и то же.

Материал — филамент, пластиковая нить на катушке. Самый частый диаметр — 1,75 мм, у части принтеров — 2,85 мм. Диаметр нити указывается в слайсере и должен совпадать с принтером.

Как идёт печать:

1. Экструдер — механизм с шестернями и мотором — проталкивает нить вперёд.
2. Нить попадает в хотэнд (hot end — горячий конец). Нагреватель в нём держит заданную температуру, обычно от 190 до 260 °C в зависимости от пластика.
3. Расплавленный пластик выходит через сопло — латунный или стальной наконечник с отверстием. Стандартное отверстие — 0,4 мм.
4. Печатающая головка движется над столом и выкладывает линию за линией, как кондитер кремом из мешка. Так получается слой.
5. Когда слой готов, стол опускается (или головка поднимается) на высоту слоя — обычно 0,1–0,3 мм, — и печатается следующий.

Остальное нужно, чтобы этот процесс шёл ровно:

• Подогреваемый стол держит деталь, чтобы она не отрывалась и не гнулась при остывании.
• Обдув детали — вентилятор у сопла — быстро охлаждает свежий слой, чтобы мелкие детали и нависания не расплывались.
• Шаговые моторы, ремни и винты двигают головку и стол с точностью до сотых долей миллиметра.
• Плата с прошивкой выполняет G-code. Самые известные прошивки с открытым кодом — Marlin (работает прямо на плате принтера) и Klipper (расчёты делает отдельный маленький компьютер, плата только исполняет).

Директ и боуден

Экструдер ставят в одном из двух мест:

• Директ (direct drive) — прямо на печатающей головке, над хотэндом. Нить идёт коротким путём, поэтому лучше управляется: проще печатать гибким пластиком, меньше паутины. Головка тяжелее.
• Боуден (Bowden) — на раме, а к хотэнду нить идёт по тефлоновой трубке. Головка лёгкая и может двигаться быстрее, зато гибкий пластик печатать трудно, а втягивание нити (ретракт) нужно больше.

Как движется принтер

• С подвижным столом — стол ездит вперёд-назад по одной оси, головка — влево-вправо и вверх. Самая простая и недорогая схема, нужно место спереди и сзади для хода стола.
• CoreXY — головка движется по горизонтали на двух ремнях, а стол только опускается. Такие принтеры обычно быстрее и легко закрываются корпусом.
• Дельта — головка висит на трёх парах тяг. Высокие и быстрые, но сложнее в настройке.

Фотополимерная печать: SLA, MSLA, DLP

Здесь материал — фотополимерная смола: жидкость, которая твердеет под ультрафиолетом. Смолу наливают в ванночку с прозрачным дном из плёнки (обычно FEP). Над ней — подъёмная платформа.

1. Платформа опускается в смолу почти до дна, оставляя зазор в толщину слоя.
2. Снизу через плёнку засвечивается форма слоя — смола в этих местах твердеет и прилипает к платформе.
3. Платформа поднимается, отрывая слой от плёнки, и опускается для следующего.

Деталь растёт вниз головой, вися на платформе. Чем засвечивают:

• SLA — лазерный луч обводит слой точка за точкой;
• DLP — проектор засвечивает весь слой сразу;
• MSLA — ультрафиолетовая подсветка светит через ЖК-экран, который, как трафарет, пропускает свет только в нужных местах. Самый распространённый вид недорогих домашних фотополимерных принтеров.

В DLP и MSLA весь слой засвечивается за один раз, поэтому время печати зависит от высоты детали, а не от того, сколько деталей стоит на платформе.

После печати деталь промывают (в изопропиловом спирте или в воде — для смол, которые так и называются: смываемые водой) и досвечивают ультрафиолетом, пока она не наберёт полную прочность.

FDM или фотополимер

FDM подходит для бытовых и технических деталей, корпусов, крупных вещей. Фотополимер — для фигурок, миниатюр, ювелирных моделей, стоматологии, всего мелкого и гладкого. Для первого принтера чаще выбирают FDM: меньше химии и проще уход. Дальше курс в основном про FDM, а фотополимер упоминается там, где он отличается.

Другие виды печати

Есть и промышленные способы: SLS спекает лазером порошок (чаще нейлон), металлические принтеры сплавляют металлический порошок. Они стоят в мастерских и на заводах; детали на них заказывают, а не печатают дома.

Коротко

• Любой 3D-принтер строит деталь слоями; модель режет на слои слайсер.
• FDM (то же, что FFF) выдавливает расплавленный пластик через сопло, обычно 0,4 мм.
• Экструдер проталкивает нить, хотэнд плавит, стол держит деталь, вентилятор её охлаждает.
• Директ — экструдер на головке, лучше для гибких пластиков; боуден — на раме, головка легче.
• Фотополимерные принтеры (SLA, DLP, MSLA) засвечивают смолу: детальнее, но нужны перчатки, промывка и досветка.

Проверьте себя