Изготовление филамента для 3d принтера. Проблема #2 - Трение

Металлическими 3D-принтерами интересуются во всё возрастающем количестве отраслей. Промышленные 3D-принтеры для работы с металлом используются для создания высококачественных прототипов, прочных образцов для испытаний, и изделий со сложной геометрией, которую возможно воспроизвести лишь при помощи 3D-принтера.

Средняя стоимость устройства для объёмной печати из металла варьируется от нескольких сотен тысяч до миллионов долларов, что автоматически ставит такие принтеры вне досягаемости для большинства компаний. И, несмотря на растущий спрос на недорогую и быструю технологию трёхмерной печати из металла, такой принцип производства до сих пор остаётся непривычным в 3D-индустрии. В ближайшем будущем вероятность изменения ситуации ко всеобщей трёхмерной "металлизации" невелика. Верно? Не совсем!

Металлические филаменты для 3D-принтеров: что предлагает индустрия

Бурное развитие материаловедения способно предложить индустрии 3D-печати альтернативные PLA-филаменты для настольных 3D-принтеров FDM: нити с вкраплением металла. Так, в арсенале компании ColorFabb уже присутствуют PLA-расходники этого типа: доля металлического порошка в них варьируется от 40 до 50%. Материал позволяет полировать и "допиливать" напечатанные элементы с налётом металла на поверхности.

Впрочем, несмотря на металлическое содержание таких деталей, они остаются пластиковыми - с присущими им недостатками (например — отсутствием запаса прочности полноценного металла). Пластиковые филаменты с содержанием металла остаются интересным курьёзом любительской трёхмерной печати - без особых надежд на их промышленное применение. Ведь рынок полнится прочными видами пластика для профессионального использования и филаментами на основе углеродного волокна.

Filamet - металлический расходник нового типа для полноценной 3D-печати

Год назад молодая фирма-стартап под названием Virtual Foundry из американского Висконсина запустила на Кикстартере кампанию по сбору средств. Речь шла о проекте, который позволил бы "бытовому" 3D-принтеру печатать полностью металлические предметы, используя FDM - хорошо отработанную технологию работы с термопластиком.

Пользователи Kickstarter активно откликнулись на столь заманчивую идею: финансирование кампании было перевыполнено примерно на 5 тысяч долларов. Несколько месяцев назад первые спонсоры проекта начали получать обещанные им расходники. А теперь компания Virtual Foundry на своём сайте предлагает всем желающим необычный филамент собственной разработки.

Брэдли Вудс (Bradley Woods), основатель фирмы Virtual Foundry: "Годами производители трёхмерных принтеров безуспешно пытались удешевить устройства для печати из металла, сделать их стоимость приемлемой для массового рынка.

Новый филамент

Наша продукция под названием Filamet - другой подход к решению проблемы. Вместо того, чтобы спускать с заоблачных высот ценники на промышленные 3D-принтеры, Filamet расширяет возможности персональных 3D-принтеров до дорогих высокотехнологичных аппаратов. Наша компания предлагает рабочее решение для изготовления уже имеющимися "настольными" 3D-принтерами полноценных металлических, по-настоящему полезных изделий.

Поверхность металлического расходника Filamet (кстати, это не опечатка, а игра английских слов: "Fila" указывает на филамент, "met" - принятое сокращение слова "металл") выглядит практически как другие PLA-материалы с добавлением металлического порошка. При этом доля металлического содержимого в Filamet значительно выше аналогов: плотность металла делает новый филамент ощутимо тяжелее, а готовые изделия обладают свойствами, максимально схожими с настоящим металлом.

Как и в случае изделий из других филаментов, "выпеченным" деталям требуется завершающая полировка - после неё на поверхности проступит металл. Химический состав "Филамета": 88% металлических материалов, и лишь 12% — пластик. На практике эти числа означают, что для получения металлического вида деталям требуется гораздо меньше времени на пост-обработку.

Более того, высокое содержание металла в расходнике Filamet позволяет обрабатывать любой трёхмерный принт таким образом, чтобы физически выжечь из этой детали всё PLA-содержимое и получить полностью металлическое изделие. Для того, чтобы прочность готовой детали соответствовала металлической, её требуется всего лишь "запечь" в печи для обжига. Внутри печи пластик будет выжжен полностью, притом без вреда для структуры: металлические частицы попросту "припекутся" друг к другу под действием высоких температур и затвердеют после остывания.

Фактически, материал Filamet может использоваться на любом из обычных "настольных" 3D-принтеров. Мало того, он полностью совместим и с 3D-ручками. На данный момент компания Virtual Foundry предлагает пятикилограммовые катушки филаментовой нити с диаметром 1,75 мм в следующем ассортименте:

Таблица 1: Типы металлосодержащего филамента Filamet производства Virtual Foundry.

Стоимость одной катушки Filamet составляет 85 долларов. Компания планирует в ближайшее время расширить ассортимент металлических порошков, и добавить к нынешним предложениям филаменты с содержанием серебра и никеля, материалы из стекла и керамики. Также специалисты Virtual Foundry плотно сотрудничают с американским министерством энергетики, рассматривая возможность использования 3D-печати при помощи филаментов с содержанием, страшно сказать, уранового порошка.

* дрыгостол – кинематическая схема принтера, при которой стол с моделью движется по оси Y. Схема самая распространённая, но плохая: при резких движениях стола с моделью силы инерции изгибают модель, и верхняя печатаемая кромка оказывается в нерасчётном положении. Если модель слишком высокая, “крутых поворотах” может происходить брак. Опускающийся стол этой проблемы не имеет.

** подогрев стола нужен для печати практически всеми типами пластика, он способствует закреплению модели во время печати. Самый подробный список филаментов и режимов печати для них можно читануть . Китайцы пишут, что без подогрева можно печатать PLA, HIPS, TPU, WOOD, PVC, FLEX, CARBON.

Максимальная температура сопла у всех представленных принтеров около 260 градусов, диаметр сопла у всех 0.4, но можно сменить на любой другой (0.5, 0.3, 0.2, 0.1), резьбы стандартные. Диаметр филамента у всех принтеров 1.75мм. Несмотря на обилие “дрыгостолов”, предпочтение желательно отдавать дельта-принтерам, и принтерам с опускающимся столом, так как во-первых: подвижный стол не шатает модель, и во-вторых: конструкция может быть обшита листовым материалом (оргстекло, оргалит, сотовый поликарбонат), что повышает качество печати ABS и подобными ему пластиками. Почитайте, что творит небольшой сквозняк с печатающейся моделью.

СОВЕТЫ ПО 3D ПЕЧАТИ

У новичка в 3D печати обычно “глаза” разбегаются от количества новой информации. Как всем этим пользоваться и работать с принтером? Для начала рекомендую ознакомиться с небольшим гайдом на примере принтера Anet A6, там рассказаны основные понятия и действия, подходящие к 95% принтеров. Информацию о том, как пользоваться программами для “нарезки” 3D моделей, вы найдёте ниже.

Практически все проблемы и косяки, возникающие в процессе печати, описаны вот в этой огромной статье. Есть ещё одна подборка из 40 дефектов, часть 1 и часть 2 . Многое в 3D печати познаётся методом ошибок, поэтому владельцы недорогих принтеров обычно знают больше тонкостей, чем владельцы дорогих принтеров, с которыми возникает меньше проблем =)

Но есть проблема, о которой очень мало где написано (я как раз с ней столкнулся), связана она как раз с недорогими принтерами: принтер начинает печатать нормально, но через какое то время (через какое то количество метров филамента) начинает делать откровенную “дрисню”. Именно на это становится похожа поверхность под соплом экструдера. Проблема кроется в недостаточном охлаждении радиатора термобарьера, который находится между нагревателем и белой трубкой с филаментом (bowden). Если недостаточно охлаждать это место, пластик начинает плавиться в трубке (а иногда даже кипеть) что приводит к его нестабильному выходу из сопла. Проблему можно решить несколькими способами:

• Направить настольный/напольный вентилятор на печатающую головку. Способ плохой, так как создаёт сквозняк на всю модель
• Напечатать “кастомный” кожух охлаждения, практически для всех принтеров в интернете (https://www.thingiverse.com/) можно найти спроектированные пользователями более правильные модели кожухов охлаждения
• Проблема может возникнуть после замены штатного вентилятора на менее мощный и менее шумный (именно так я и сделал к слову). Так что нужно ставить мощный 40мм вентилятор с током не менее 0.1 Ампера, например вот такой .

Также я сталкивался с ещё одной интересной проблемой, решения которой нет в списке косяков 3D печати: китайский филамент и стандартные настройки слайсера (Cura). Дело вот в чём: печатаем модель, представляющую собой столбик квадратного сечения 4х4 мм, высота любая. Столбик имел крайне низкую прочность, а на изломе было видно, что нитки пластика не склеились между собой! Проблема крылась в настройках скорости печати, в частности “скорость печати внутренней стенки”, которая стояла 90. И видимо китайский филамент на такой скорости не мог нормально склеиться, если учесть, что деталь на 90% и состояла из внутренних стенок! Также пишут, что скорость печати внешней и внутренней стенки не должна сильно отличаться, вот так вот.

ПРОГРАММЫ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ

Во время работы с 3D принтером используется в основном два типа программ: программа для 3D моделирования и слайсер, который генерирует из модели набор кодов для у правления принтером

Программы для 3D моделирования

• Autodesk Fusion 360 – свежая, лёгкая и очень мощная программа для моделирования, сам перешёл в неё и рекомендую изо всех сил. Fusion 360 является продолжением известной Autodesk Inventor с кучей новых фишек специально для станков с ЧПУ и 3D принтеров. Программа бесплатная для студентов и самодельщиков (makers, hobbyists ), читайте инструкцию по получению лицензии в . На официальном YouTube канале полно несложных уроков, которые помогут быстро освоить программу и создавать сложные модели.
• SolidWorks – одна из самых мощных САПР на сегодняшний день. Очень большой и очень тяжёлый пакет программ с огромной кучей возможностей, инструментов проектирования и исследования, при желании можно получить ученическую версию, либо найти крякнутый на трекерах. Я работал в нём несколько лет, потом пересел на Fusion 360.
• Компас-3D – отечественная САПР, последняя версия которой является весьма убогой копией интерфейса SolidWorks. Компас полностью ГОСТовый, поэтому чертежи в ВУЗах делают в основном именно в нём. Как 3D редактор он весьма прост, но это не мешает обученным людям делать в нём сложнейшие сборки с большим количеством подвижных элементов. Качать пиратский Компас не рекомендую как бывший студент: программа сама по себе не очень стабильная, а крякнутая версия вообще ведёт себя так, как будто у неё стрела в колене. Можно оформить себе студенческую версию, даже если вам лет 60 – просто указываете рандомный ВУЗ и такой же рандомный номер зачётки. Можно поддержать отечественного производителя и купить домашнюю версию за 1500 р/год.
• TinkerCAD – бесплатная онлайн платформа от всё того же Autodesk, позволяющая прямо в браузере создавать несложные 3D модели. Если вы полный новичок в 3D – начните с неё, просто потыкайте пару часов и переходите к более серьёзным системам.
• Google SketchUp – бесплатная программа от Гугла, за которую ему должно быть стыдно. Не годится ни для чего кроме создания мебели и макетов городов. Минимум функций, максимум убожества даже в 2к18 году.
• FreeCAD – отличный 3D редактор для пользователей Linux

Слайсеры

• Ultimaker Cura – бесплатный слайсер от разработчика дорогущих деревянных принтеров Ultimaker. Постоянно обновляется и обрастает новыми плюшками и возможностями. Самый популярный и простой слайсер с парой сотен тонких настроек печати. По новой версии (3+) гайдов нет, но полезно будет почитать описание настроек по предыдущей версии программы – часть 1 , часть 2 , часть 3
• Simplify3D – более продвинутая программа, но уже не бесплатная (в то же время, скачать пиратку можно с трекера). Безумно подробный гайд по настройкам с кучей примеров и объяснений – часть 1 , часть 2 , часть 3 . От себя добавлю: в свежей версии Simplify мне пришлось сделать экструзию 120%, чтобы модель печаталась как на Cura. Не знаю, с чем это связано.
• Slic3r – простенький слайсер с кучей интересных настроек, по нему тоже есть полезный гайд

ФИЛАМЕНТ

Сейчас существует достаточно много различных типов филаментов с разными физическими и механическими свойствами (твёрдые, резино-подобные, дерево-подобные, прозрачные, с карбоновыми волокнами…). Подробно по каждому из них написано

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Как сделать филамент самому

На сегодняшний момент одним из серьезнейших недостатков 3D-печати является высокая стоимость филамента, т.е. 3D-печатного термопластика, который является для вашего 3D-принтера расходным материалом. Безо всяких сомнений, филамент стал гораздо доступнее, чем 2-3 года назад , и ассортимент стал пошире, уже не говоря о разнообразии материалов. Но если цены на 3D-принтеры постоянно снижаются, то цены на филамент за ними как-то не спешат.

В особенной степени это касается филамента высокого качества. Впрочем, конкуренция между производителями филамента в последнее время обострилась, что в дальнейшем должно привести к более массовому производству этого продукта и, следовательно, к его удешевлению, однако на данный момент килограммовая катушка филамента стоит довольно дорого – порядка 22-30 долларов . А если это какой-то особый вид филамента, то за 0,5 кг придется выложить все 50 баксов . И цены такие высокие отчасти по той причине, что производство и продажа филамента – это очень прибыльный бизнес.

Именно тут на сцену выходят так называемые «настольные экструдеры» – машины для производства филамента в домашних условиях. Как это выглядит? Взгляните на фото ниже. Это Noztek Pro , стильный настольный экструдер родом из Великобритании. Давайте попробуем разобраться, как он работает, а потом перейдем к анализу производственного процесса и ценам на сырьевые материалы.

Принцип работы

Общий принцип стандартного настольного экструдера показан на иллюстрации ниже:

Главная часть экструдера – это втулка, внутри которой находится винт (его также иногда называют «буром» или «сверлом» ). На одном из концов винт соединен с нагревателем («нагревательной камерой» или «нагревательным элементом» ), а на другом – с электромотором. Мотор приводит винт в действие, тем самым осуществляя транспортировку пластиковых гранул (см. иллюстрацию 9 ниже) через втулку в сторону нагревателя. Сами гранулы подаются во втулку из загрузочной воронки, причем никакого прижимного механизма тут не требуется, т.к. подача материала осуществляется силами гравитации. Таким образом, мотор постоянно крутит винт, а тот перемещает гранулы в сторону нагревателя.

Достигнув его, гранулы нагреваются и начинают плавиться, а полученный жидкий материал выдавливается в сторону формирующей головки. В итоге из нее выходит непрерывная пластиковая нить, чей диаметр соответствует диаметру сопла этой головки. Данный процесс называется «экструзией» , поэтому и сам прибор, собственно, называется экструдером. На иллюстрации 3 некоторые из этих частей показаны более подробно.

Впрочем, разные модели настольных экструдеров отличаются друг от друга. Некоторые используют большие моторы и шестеренчатый привод, другие – шаговые моторы, которые вращают винт напрямую. Большинство экструдеров поддерживают сменные формирующие головки для двух стандартных размеров 3D-печатного филамента – 1,75 и 3 мм . У некоторых есть охлаждающая система (с использованием вентиляторов), у других – нет. У некоторых есть даже автоматическая система намотки филамента на катушку. В зависимости от электроники некоторые экструдеры поддерживают очень точные температурные настройки, а другие – лишь совсем базовые. Просто взгляните на фото ниже. На них показаны разные виды экструдеров, но, несмотря на внешние различия, принцип их работы примерно один и тот же.

Как видно из фотографий выше, большинство коммерческих машин для настольного производства филамента представляют собой сборные комплекты. Другими словами, пользователю после покупки еще надо будет его собрать. О том, что представляют и как между собой связаны отдельные части экструдера, можно посмотреть на иллюстрации выше, однако, на наш взгляд, будет не лишним показать, как все это выглядит «в реальной жизни».

Теперь, когда мы разобрались в принципе работы экструдера, пора перейти к другим темам.

Сырье

Филамент изготавливается из так называемых «сырьевых гранул» . Как они выглядят, можно посмотреть на фото ниже. Стоит отметить, что гранулы на этом фото предназначены для литьевого прессования и сделаны из материалов, которые для 3D-печати могут не подойти. Если не уверены, лучше напишите производителю гранул или оптовику, который занимается их распространением – они должны помочь разобраться вам в этом вопросе.

Цвет филамента

Эти сырьевые гранулы, как правило, белые или прозрачные, а их размер составляет всего несколько миллиметров. Эти гранулы смешивают с так называемым «мастербатчем» – это тоже гранулы, которые используются либо для окраски пластика (его называют «цветовым мастербатчем» ), либо для придания ему дополнительных свойств (его называет «присадочным мастербатчем» ). Цветные мастербатчи – это концентрированные смеси цветовых пигментов, которые в процессе нагревания были преобразованы в смолистое вещество, а затем охлаждены и порезаны до маленьких гранул. То, как они выглядят, можно посмотреть на фото ниже.

Цветовой мастербатч – это концентрат цветового пигмента, поэтому для придания сырьевым гранулам какого-то цвета к ним нужно добавить лишь совсем немного мастербатча. На фото ниже сырьевые гранулы лежат вперемешку с мастербатчем, чтобы придать филаменту красно-вишневый цвет. На следующем фото показаны разные пропорции сырья и мастербатча, чтобы сделать цвет филамента разным по насыщенности.

Почему скудна? Дело в том, что домашнее изготовление филамента – это довольно новая область, однако со временем этой информации должно появляться все больше и больше. Мы определенно посоветовали бы почитать отличный блог Дэвида Смита под названием Bits and Atoms , особенно статьи о смешении и пропорциях мастербатчей. Кроме того, о пропорциях мастербатчей можно почитать, напимер, . Примеры различных сочетаний смотрите ниже.

Многоцветный филамент можно изготовить и другим путем – методом Ричарда Хоума (он же RichRap) из richrap.blogspot.com. Ричард использует для этого нейлоновую нить Taulman 618 и при помощи специальных красителей окрашивает ее на манер цветастых хипповских футболок. Впрочем, когда вы просто скармливаете экструдеру гранулы разного цвета, эффект примерно тот же. Кроме того, техника Ричарда слегка замысловата, и для достижения таких результатов вам понадобится ряд дополнительных компонентов. Более подробно можно почитать .

Процесс производства филамента

В промышленном производстве филамента используются, как правило, большие экструзионные линии в виде больших машин, которые способны за одну партию делать сразу несколько прутков (причем без разброса диаметра), что позволяет достичь больших объемов производства. Огромное количество сырьевых гранул нагреваются вместе с определенным количеством мастербатча, причем чтобы добиться цветового постоянства, используются одни и те же пропорции, заранее определенные в научно-исследовательских отделах компаний-производителей филамента. Однако основной принцип промышленного производства филамента почти ничем не отличается от производства домашнего. На иллюстрации ниже показано схематическое изображение этого процесса, а на двух нижеследующих фотографиях – то, как эти конвейерные линии выглядят в реальной жизни.

Наиболее значимые отличия – то, что филамент, создаваемый в домашних условиях, не охлаждается сразу после экструзии, и то, что настольный экструдер может экструдировать только один пруток, в связи с чем объемы домашнего производства заметно уступают производству промышленному, где за час можно изготовить несколько сотен килограмм филамента. Кроме того, у домашнего экструдера может не быть специальной машины, которая автоматически наматывала бы экструдированный филамент на катушки. Плюс ко всему, в некоторых случаях эти приборы оборудованы устройством для автоматической проверки диаметра филамента.

Затраты на производство филамента

Однако наиболее животрепещущий вопрос – сколько будет стоить изготовление килограмма кустарного филамента? Начнем с того, что издержки домашнего и промышленного производства по очевидным причинам сравнивать нельзя, поскольку промышленное производство подвергается так называемому «эффекту масштаба» , т.е. экономией, обусловленной увеличением масштабов производства. К отдельным людям, которые купили настольные экструдеры для личного пользования, чтобы сделать пару-другую катушек, это правило применить нельзя.

Поэтому цифры, указанные тут, просто ориентировочные, поскольку домашнее производство филамента – это довольно новая область, и розничные торговцы в ней практически не работают. Большинство компаний продают гранулы и мастербатчи оптовикам, и у большинства из них минимальный размер заказа составляет 10-25 кг или больше. Впрочем, в последнее время наметились некоторые подвижки – ряд людей посчитали этот рынок потенциально прибыльным и начали продавать сырьевые материалы в меньших объемах. Впрочем, поиск надежного поставщика, который сумел бы обеспечивать качественный материал в розничных количествах и по приемлемым ценам – это по-прежнему проблема.

На момент написания этой статьи (май 2014 года) килограмм сырьевых гранул стоит примерно от 3,5 до 4 евро . Цветовые мастербатчи стоят примерно от 1,2 до 3,5 евро за килограмм , но их зачастую можно купить лишь в больших объемах (5-10 кг или больше ). Но, пожалуйста, помните, что это ориентировочные оптовые цены. Также нужно учесть цены на электричество, стоимость самого экструдера, ее амортизацию, а также различную мелочевку, и в итоге получится, что килограмм филамента стоит около 5-7 евро . Если сравнивать это с розничными ценами, то экономия получается колоссальной – порядка 70% . Правда, перед выходом на самоокупаемость вам придется напечатать довольно много филамента, поскольку экструдеры стоят очень недешево. Список доступных в данный момент настольных экструдеров (вместе с ценами) можно посмотреть в таблице ниже.

Производство филамента из пластикового мусора

Еще одним – зачастую игнорируемым и недооцениваемым – преимуществом владения настольного экструдера является то, что с его помощью можно замкнуть цикл использования пластика. Другими словами, домашний экструдер позволяет переработать не только пластиковый мусор, но и какие-то неудавшиеся (или поломавшиеся, или ставшие ненужными) 3D-печатные объекты. В 2011 году производство пластика по всему миру составило 280 млн тонн ()! И хотя меры по переработке пластика с каждым годом становятся все эффективнее, пластиковый мусор все же остается серьезной экологической проблемой – просто взгляните на свалки или эти пластиковые острова, плавающие в мировом океане – поскольку люди выкидывают его сразу после использования.

Однако 3D-печать в сочетании с переработкой пластика через экструдеры эту ситуацию может поменять. Нет, мы не хотим сказать, что это изменит мир, но уверены, что это пробьет брешь в бесполезном цикле производства и выкидывания пластика, как только широкие слои населения поймут, что этим «мусором» можно вообще-то воспользоваться для других целей. Возьмем для примера обычную пластиковую молочную бутылку (если в вашем регионе молоко продается не в пластиковых бутылках, просто представьте себе бутылку для воды или флакон для шампуня). Большинство этих бутылок сделано из HDPE , т.е. из полиэтилена повышенной плотности. Они маркируются цифрой «2» в соответствии с идентификационной системой для пластиков .

Как правило, эти бутылки выкидываются сразу после использования. Если вас беспокоит состояние окружающей среды, то вы эти бутылки не выкидываете, а утилизируете. Однако если у вас есть собственные настольный экструдер и 3D-принтер, эти бутылки можно сохранить и использовать для изготовления собственного филамента. Хорошо, но как это все работает на практике?

Допустим, у вас есть бутылка с маркировкой HDPE (или PE-HD , или просто с номером «2» ). Ее нужно тщательно очистить, чтобы внутри нее не осталось абсолютно никакого содержимого. Теперь удалите все наклейки, ценники и т.д. Затем бутылку нужно порезать на мелкие кусочки и прогнать через измельчитель или тому подобную машину (вроде вот этого самодельного прибора от Маркуса Тимарка), чтобы получившиеся «гранулы» можно было использовать для экструдера. Процесс подготовки пластиковой бутылки показан на иллюстрации ниже.

Как правило, размер получившихся кусочков должен быть 5 х 5 мм – чтобы винт смог протолкнуть их к нагревательной камере. Отклонения должны быть минимальными, поскольку это влияет на вариации в диаметре экструдируемого филамента. После того, как сырье будет нужного размера, его нужно поместить в загрузочную воронку (коническую часть экструдера, куда помещаются гранулы для последующего передвижения по винту). Конечно, весь этот процесс более трудоемок, чем если бы вы просто загрузили в экструдер уже готовые сырьевые гранулы, но его преимущество в том, что полученное сырье получается очень дешевым.

По словам доктора Джошуа Пирсу (Joshua Pierce) из Мичиганского Университета, изготовление филамента при помощи этого метода будет стоить вам всего 0,1 доллара . Огромная экономия по сравнению с покупным филаментом! И добавьте сюда то, что вы используете пластик, который обычно просто выбрасывается. Это открывает новые просторы для использования пластика, который, как выясняется, можно не только вышвырнуть на помойку и тем самым создать проблему для окружающей среды, но и превратить в нечто полезное.

Чтобы осознать потенциал этой технологии, просто взгляните на модель под названием Dremelfuge , напечатанную командой доктора Пирса – для ее создания использовался пластик из выброшенных молочных бутылок. Dremelfuge – это крайне полезная деталь, которая используется в лабораториях в качестве ротора для микроцентрифужных пробирок. Если соединить эту деталь с электроинструментом Dremel , в итоге можно получить полупрофессиональную центрифугу (они используются для выделения ДНК ), которая иначе стоила бы вам порядка 300-500 долларов . Более того, Dremel можно раскрутить до 33 тысяч оборотов в минуту , а это значит, что вы можете собрать так называемую «ультра-центрифугу» прямо у себя в гараже.

Это решение, с одной стороны, позволяет людям проводить биологические исследования в домашних условиях без траты кучи денег на дорогое оборудование, особенно если вы не хотите сильно углубляться в это дело. Но есть и более важный момент – в некоторых регионах мира подобные технологии не доступны вообще (из-за высокой стоимости, недостатка инфраструктуры, технологических ограничений и т.д.), в связи с чем подобные самопальные приборы для исследования ДНК приходятся весьма кстати. Просто прикиньте возможности, открывающиеся развивающимся странам, которые зачастую просто утопают в горах пластикового мусора.

Таким образом, перспективы повторного использования мусорного пластика представляются в еще более интересном свете, даже несмотря на то, что мы находимся лишь у самого истока развития этой удивительной разработки. В то же время переработка пластика и печать с его помощью – это непростой процесс, который по-прежнему требует много ручной работы. Другими словами, данная технология еще далека от идеала. К примеру, 3D-печать с помощью HDPE чревата выгибаниями, поэтому требует нагревательной платформы или даже того, чтобы у принтера была закрытая рабочая камера (для аккумуляции тепла).

Кроме того, важно понимать, что пластик нельзя перерабатывать снова и снова, т.к. он становится хрупким и, если его много раз нагревали, начинает проявлять структурные проблемы. Поэтому за каждой деталью нужно вести, так сказать, «нагревательный дневник», т.к. каждый нагревательный цикл разрушает полимерные цепи, которые, собственно, и образуют, термопластиковый материал. В связи с этим при каждой новой экструзии рекомендуется добавлять к старому сырью какую-то часть новых гранул или измельченного пластика – чтобы материал оставался прочным. Другой момент – всевозможные загрязнители вроде пыли, грязи и чужеродных материалов, которые могут попасть в филамент во время экструзии. По этой причине хороший экструдер должен всегда быть оснащен соплом, в которое встроен специальный фильтр, представляющий собой кусок очень тонкой проволочной сетки. Кроме того, это позволяет избежать закупоривания хот-эндов у принтеров – проблема, исправление которой может обойтись довольно дорого.

Кроме того, в нашем случае речь о переработке именно HDPE -пластиков, однако для домашнего производства филамента можно использовать и другие полимеры. Но тут нужно быть осторожнее, поскольку некоторые пластики (вроде PVC и других полимеров на базе хлорина) могут выделять опасные газы, которые могут серьезно повредить здоровью. Поэтому, экспериментируя с экструзией из мусорного пластика, нужно быть твердо уверенным в том, что вы делаете. Обязательно прочтите данные о безопасности используемого материала!

Список экструдеров

На данный момент доступно лишь несколько экструдеров для домашнего использования. Мы скомпоновали их в короткий список, заодно указав несколько важных характеристик.

Что касается скорости экструзии, то производители указывают ее в двух единицах измерения – либо в килограммах в час, либо в метрах в час. Чтобы было наглядней, можно считать, что одна килограммовая катушка 3-миллиметрового PLA -пластика содержит около 110 метров , а килограммовая катушка 3-миллиметрового ABS -пластика – около 130 метров филамента . Если говорить об 1,75-миллиметровом филаменте, то для PLA это будет около 330 метров , а для ABS – около 400 метров . Впрочем, эти цифры могут варьироваться в зависимости от плотности используемого филамента.

Впрочем, есть один экструдер, который выделяется изо всей этой компании сильнее всего – Noztek Pro. Он поставляется уже собранным, это один из самых дешевых экструдеров в своем классе, у него есть сменные головки, фильтр, охлаждающий механизм (со встроенным вентилятором) и планетарный мотор с высоким показателем крутящего момента. При этом согласно Noztek , отклонение в толщине филамента составляет около 0,04 мм , а скорость экструзии – 1 кг за 3-4 часа . И еще специальный бонус – в комплекте с экструдером идет 500 грамм ABS-гранул .

Noztek Pro предназначен для экструзии ABS и PLA , но по словам представителей компании, экструдировать из HDPE – тоже не проблема. Он не только плавится при температуре 180°C , но и позволяет изготовить качественный филамент, причем используя для этого пластик, который обычно просто выкидывается. Кроме того, цвета тоже смешиваются довольно хорошо. Что насчет газов, то по заявлениям Noztek , их источается не больше, чем при работе 3D-принтера. Однако компания все же рекомендует использовать экструдер в хорошо проветриваемом помещении. Ни измельчителя, ни устройства для намотки филамента в комплекте не идет.

Неопытному пользователю трудно определить, какие характеристики филамента имеют первостепенное значение. Поэтому ниже мы сосредоточим внимание на ключевых показателях.

Допуск по диаметру

Равномерная подача материала из разжаренного сопла гарантирует корректное расположение слоев в изделии. При этом следует помнить, что программное обеспечение 3D принтера проводит расчеты исходя из заданных параметров сечения. Если некачественная нить на разных участках будет иметь разный диаметр, то ПО не сможет контролировать длину экструзии. Идеального сечения по всей длине нити добиться крайне трудно, поэтому при выборе филамента следует учитывать допуск по диаметру. Для самых тонких нитей оптимальное значение этого показателя составляет 0,03 мм. Если же пользователь по каким-то причинам не может приобрести качественную нить, то ему следует отрегулировать пружину, поддерживающую натяжение нити.

Округлость сечения

При перемещении нити через колесо экструдера ее поверхность испытывает давние. В результате чего происходит деформация филамента. Исключить деформацию практически невозможно, но при этом важно следить, чтобы по всей длине на нить оказывалось одинаковое давление. Если профиль филамента при переходе через колесо становится овальным, то возможны сбои в работе экструдера. Важно контролировать сечение и следить, чтобы форма была округлой.

Диаметр катушки

Оптимальный диаметр нити

При выборе оптимального диаметра необходимо учитывать следующие закономерности:

• чем легче нить, тем меньше затрат энергии приходиться на моторчик экструдера;
• филамент с небольшим сечением нагревается быстро;
• нити небольших диаметров позволяют работать с компактными экструдерами;
• чем меньше диаметр сопла, тем лучше управление процессом печати.

Таким образом, оптимальный диаметр нити составляет 1,75 мм. При таком сечении принтер сможет выполнять тот же объем работы, но при меньшей нагрузке. По качеству и широте цветовой гаммы филаменты 1,75 мм ничем не хуже нитей с большим сечением.

ABS и PLA – абсолютные лидеры продаж на рынке филаментов. Мы уже проводили детальный обзор пластиковых нитей для послойного наплавления. Представленные сотнями производителей, они выпускаются в разных цветах. Тонкие и толстые, тугоплавкие и эластичные, – полимерные чернила используются повсеместно. Но 3D печать продолжает развиваться, а значит, появляются новые материалы.

Давайте рассмотрим оригинальные и перспективные составы, за которыми, как кажется сейчас, будущее аддитивных технологий.

Алюминиевые смеси

3D оборудование для печати металлическими составами активно используется в промышленности, но настольные принтеры для работы с металлом по доступной цене на рынке не представлены. Ниша «Desktop Metal» пустует и причин для этого несколько:

• дороговизна реализации технологии лазерного спекания;
• быстрое и неравномерное охлаждение смеси;
• появление в материале полостей и трещин при затвердевании.

Для изготовления металлических изделий предлагается использовать сплавы алюминия и . В бытовых условиях составы непригодны для работы. Чтобы приспособить к печати недорогой, доступный материал, необходимо его предварительно покрыть частицами гидрида циркония. На выходе получатся легкие и прочные модели. Вот как с ним работают профессионалы:

Дома можно использовать филаменты для послойного наплавления, сделанные из пластика с примесью металла. Такой материал легко плавится и может использоваться любым современным FDM-принтером. Готовая распечатка получит металлический внешний вид и приближенный к оригиналу вес, но технические характеристики будут ближе к полимерам. Металлосодержащее «чернило» может покрываться налетом ржавчины, но не боится коррозии.

Практичный недорогой материал Bestfilament Bronze:

Производители ежемесячно пополняют ассортимент схожих катушек.

Термостойкая керамика

Возможность печатать керамическим порошком стоит на повестке дня с момента массового производства аддитивного оборудования. Успешные попытки были, но лишь HRL Laboratories сумели сделать термостойкий материал, пригодный для изготовления прочного, аккуратного и легкого изделия. Изобретенный прекерамический полимер предназначен для работы со стереолитографическим оборудованием.

Использовать его будут не для печати посуды, а в производстве микроэлектромеханических деталей и реактивных силовых агрегатов. Распечатка выдерживает температуру свыше + 1700 С о.

Если вы хотите в домашних условиях получить деталь, внешний вид и физические характеристики которой напоминают керамику, попробуйте филамент LAYBRICK. Процесс осуществляется на пониженных температурах, – так вид готового изделия визуально будет максимально приближен к полированному серому камню. Печать с сильно разогретым экструдером позволит придать поверхности шероховатую текстуру. Отличный вариант для производства малых архитектурных форм в рамках ландшафтного дизайна.

3D печать стеклом

Стеклодувы наверняка занервничали, после того как узнали о проделанной инженерами Массачусетского технологического университета и Институтом Висса работе. Принтер для печати стеклом – реальное устройство, которое можно адаптировать для бытовых нужд.

Схема проста – в герметичную камеру, внутри которой поддерживается температура 1000 С о, загружают сырье – прозрачное стекло. Под воздействием температуры сырье плавится. В экструдер попадает жидкое вещество.

3D печать марсианской пылью

Илон Маск спонсирует разработку многоразовых межпланетных ракет. Ридли Скотт продолжает рассуждать на тему: «Как человеку выжить на незнакомой планете». NASA работает над принтерами для 3D печати в космосе. Экспериментальные модели уже освоили печать марсианским песком и лунной пылью. Почему бы и нет?

Аддитивная смесь состоит из веществ, которые имеются в избытке на Луне и поверхности Красной планеты: оксид железа, оксид алюминия, диоксид кремния. 90% чернила – «марсианский песок и пыль», а 10% – связующий полимер земного происхождения. Его космонавты привезут с собой. Впрочем, программа строительства жилья для космонавтов вне земной орбиты стимулирует 3D строительство на Земле.

Биобумага для 3D печати мягких тканей

Биобумага – перспективный материал, который успешно осваивается в процессе биопечати. Не об этом ли писал в своё время Айзек Азимов? Напечатать искусственный орган у себя на столе пока не получится, но в лабораторных условиях ученые хорошо справляются с поставленной задачей. В качестве чернил для 3D принтера применяются живые клетки и составы, имитирующие функцию соединительной ткани.

Для изготовления филамента используются стволовые клетки, выделенные из костного мозга донора. Они сами формируют и восстанавливают утраченные ткани – задача бионженера состоит лишь в том, чтобы активировать их регенераторные способности. Клеточные сфероиды должны иметь подложку, которая позволит им сливаться, эффективно развиваться и создавать новые структуры. Для этого создается биобумага – полужидкий материал, который «печатают» на 3D принтере из полисахаридов и белков. Гель создает оптимальные условия для жизни человеческих клеток.

Биобумага может иметь губкообразную форму. Например, биочернило от Wake Forest выглядит следующим образом:

Подложка со временем рассасывается, а образованные сосуды и нервы остаются.

Костная ткань

Напечатать скелет можно не только из пластика, но и из синтетических аналогов костной ткани. Готовые изделия используются в качестве протезов и штучных имплантов. Филамент делается из полигликолидов и полилактидов. Это биодеградирумые вещества, которые со временем рассасываются в организме. Конструкция используется в роли каркаса для жизнедеятельности стволовых клеток.

Бетонные смеси

3D-билдеры – так называются аппараты, печатающие бетоном. Технология напоминает послойное наплавление, с той разницей, что бетон не надо предварительно нагревать. Принтеры имеют огромные размеры, поэтому пока неприменимы в домашних условиях. Зато построить несложные малоэтажный дом с хорошей сейсмической устойчивостью им под силу. Мы уже писали о смесях и о технологии строительства 3D принтером.

К слову, строительные машины могут работать не только с бетонными смесями, но и штукатуркой. Материал используется в чистом виде. В «чернильнице» его разбавляют жидкостью для размачивания. В таком виде экструдер наносит вещество слой за слоем.

Материалы, которые можно использовать в дектопных 3D принтерах

Нейлон

Нейлоновые нити – эволюция стандартных пластиковых прутков. Полимер обладает великолепной адгезией, благодаря чему слои спаиваются очень прочно. Наделен хорошей эластичностью, что делает его незаменимым в печати подвижных деталей. Обязательно попробуйте в работе, но предварительно просушите катушку. Подходит для создания прототипов, которые будут подвергаться высоким нагрузкам на излом.

3D печать деревом

В буквальном смысле, напечатать деревянный предмет не получится. Но можно создать изделие, чья текстура, цвет и внешний вид будут напоминать натуральную древесину. Среди лидеров рынка – филамент LAYWOOD . Регулируя температуру экструдера можно менять цвет пластиковой нити. Обладает хорошей прочностью и эластичностью.

Термопластичный полиуретан

Термопластичный полиуретан (TPU) предназначен для создания прочных, устойчивых к износу материалов. Примеры использования: спорттовары, бытовой инструмент, медицинские приборы, обувь для занятий спортом, ременной привод, автомобильный детали, матрацы, защитные чехлы для смартфонов.

TPE, RUBBER и Flex

Материал для аддитивного принтера. По техническим характеристикам схож с резиной, что предопределяет возможные варианты его применения: печать пружин, ремней, пробок, гибких деталей. Альтернативный вариант – катушка FLEX.