Новых концепций 3D принтеров становится все больше. На выставке Maker Faire 2013 в Нью-Йорке был представлен новый 3D принтер, использующий для печати жидкий металл. Девайс получил название "Vader" в честь разработчиков отца и сына Скотта и Зака Вейдера из стартапа Vader Systems .
Печать жидким металлом - прогрессивная технология 3D печати (также относящаяся к аддитивному производству). С помощью этой технологии можно создавать механические детали и электронные соединения аддитивным способом. В отличие от формообразования распылением, печать жидким металлом подобна струйной печати, при которой каждая отдельная расплавленная капля наносится на определенный участок. Используя печатающую головку, во многом схожую с печатающей головкой струйного принтера, 3D принтер послойно наносит капли расплавленного алюминия, формирующиеся постепенно. В результате можно создавать объекты большой сложности без затрат труда и энергии со стороны производителя. Изменяя размер печатающей головки, система распределяет расплавленные шарики металла диаметром от 100 до 1000 микрон.
В настоящее время технология прямого лазерного спекания металла является распространенным процессом изготовления металлических деталей. Она включает использование лазера высокой мощности для соединения мелких частиц металлического порошка в массу желаемой трехмерной формы. Лазер выборочно соединяет порошковый материал, сканируя поперечные сечения, которые генерируются из СAD файла на рабочую поверхность. После того, как каждое сечение отсканировано, рабочая поверхность смещается вниз на высоту одного слоя, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет готова модель.
"Но напечатанные объекты не совсем подходят для деталей машин, так как они слегка пористые", - говорит Зак Вейдер в интервью Tom"s guide.
Этот первый жидкометаллический принтер от компании Vader Systems, также называемый Mark 1, все еще является прототипом. Vader закончила его сборку за несколько дней до дебюта в Нью-Йорке. В принтере пока нет печатающей головки, поэтому не представлены напечатанные образцы. Однако Зак Вейдер говорит, что "их устройство может также иметь тысячи насадок и печатать со скоростью, близкой или даже большей, чем скорость струйного принтера". На данный момент работа авторов проекта сосредоточена на разработке девайса, использующего алюминий для быстрого прототипирования механических частей, но Зак Вейдер считает, что к материалам, пригодным для печати, также будет довольно легко добавить медь, серебро и золото.
Предварительные характеристики 3D принтера Mark 1:
- Печать жидким металлом (алюминий)
- Область печати : 250 x 250 x 250 мм
- Разрешение : 50 мкм
- Скорость печати : 20 мл/ч
- Требования к питанию : 15 А 120 В
- Вес : ~54 кг
По словам команды, текущая версия 3D принтера разработана для малых предприятий, но приблизительно через год планируется выпуск версии стоимостью меньше, чем 10 000$.
Друзья, небольшое вступление!
Перед прочтением новости, позвольте пригласить вас в крупнейшее сообщество владельцев 3D-принтеров. Да, да, оно уже существует, на страницах нашего проекта!
В то время как бытовая трехмерная печать стала достаточно простой и недорогой для домашнего применения, а ассортимент расходных материалов увеличивается не по дням, а по часам, остается одно направление, так и не достигнувшее своего полного потенциала. Речь пойдет о 3D-печати металлом.
Собственно, металлическими печатными изделиями уже никого не удивить. Энтузиасты и профессионалы осведомлены о возможностях таких технологий, как выборочное лазерное спекание или электронно-лучевая плавка. Эти методы позволяют создавать трехмерные металлические модели, практически неотличимые от литых или штампованных деталей, но зачастую превосходящие свои традиционные аналоги по легкости и ценовой доступности, хотя несколько уступающие по прочности.
К сожалению, вышеназванные технологии требуют создания сложных, дорогостоящих устройств с немалыми габаритами. Хуже того, расходные материалы дефицитны и зачастую весьма дороги, ведь методы спекания и плавки требуют использования порошкообразных материалов, производимых в достаточно небольших объемах.
Каковы же перспективы 3D-печати металлом с помощью ставших привычными экструзионных принтеров?
Начнем с того, что именно экструзионные принтеры, то есть устройства печатающие методом послойного наплавления (FDM), и стали первыми 3D-принтерами по металлу. Существующая технология позволяет использовать смешанный материал из металлических частиц и связующего вещества. Готовая модель может иметь вид металлического изделия, но не будет обладать соответствующими механическими характеристиками. Как вариант, возможен обжиг готовой модели для спекания металлических частиц или, что более характерно, для выплавки связующего материала с одновременной пропиткой относительно легкоплавким металлом или сплавом - например, бронзой. Естественно, готовое изделие не будет отличаться прочностью литых аналогов, да и сам процесс требует использования специальных гончарных печей, что ведет к удорожанию технологии.
Пример металлической модели,
созданной методом экструзионной печати с последующим обжигом
В целом, данный метод хорошо подходит для создания моделей, не предназначенных для высоких механических нагрузок и не требующих высокой износоустойчивости - например, ювелирных изделий. Спрос на подобные 3D-принтеры для печати металлом достаточно велик: в настоящее время разрабатываются несколько перспективных устройств для печати металлической глиной, включая Mini Metal и Newton 3D. Настоящим прорывом стала бы возможность 3D-печати готовых металлических изделий с использованием исключительно технологии FDM. Однако возможности существующих экструзионных устройств достаточно ограничены.
Проблемы носят конструктивный характер. Начнем с того, что температура экструдера редко превышает 300°С, а сами экструдеры зачастую изготовляются из алюминия с температурой плавления около 650°С. Само собой, это исключает возможность печати сталью, титаном или любыми другими тугоплавкими металлами и сплавами. С другой стороны, экструдеры в свою очередь могут быть выполнены из тугоплавких материалов с целью повышения рабочего температурного диапазона. Среди энтузиастов рассматривается даже возможность керамических печатных головок.
Второй проблемой является фоновая температура. Хотя, в целом, повышенная температура в рабочей камере приветствуется, тепловое излучение вблизи экструдера при попытке печати тугоплавкими металлами может быть достаточно высоким для повреждения пластиковых деталей и проводки в конструкции самого принтера.
Третьей проблемой является обеспечение достаточно быстрого нагревания расходного материала для своевременной экструзии.
И наконец, использование металла в качестве расходного материала может привести к плотному засорению экструдера. Если очистка печатающей головки от застывшего пластика является головной болью, то очистка от застывшего алюминия или стали может стать делом неподъемным.
До сих пор попытки печати однородным металлом или сплавами ограничивались легкоплавкими материалами, такими как припой или чистое олово. Результаты сложно назвать удачными. Даже такие легкоплавкие материалы быстро засоряли сопло, а также вызывали повышенный износ: по словам испытателей, диаметр алюминиевого сопла увеличивался с 1мм до 2мм после прохождения 500 грамм припоя, использовавшегося в ходе эксперимента. Тем не менее, определенный прогресс при минимальных затратах налицо.
Иллюстрация любительского эксперимента по экструзионной печати оловом
Не так давно на выставке Maker Faire в Нью-Йорке была представлена разработка под названием Vader. Как уверяют разработчики, Скотт и Зак Вэйдеры, их устройство способно осуществлять экструзивную печать алюминием. Настораживает лишь один простой факт - разработчики не предоставили ни единого образца напечатанных моделей, а впоследствии признали, что устройство еще не имеет подходящего экструдера. При этом конструкторы делают смелые заявления: максимальное разрешение будет составлять 50 микрон, а купить 3D-принтер по металлу можно будет «всего лишь» за $10000. Что же, поживем-увидим.
Принтер «для печати металлом» есть. Экструдера нет.
Как оказывается, все не так просто
Тем не менее, разработка методов печати металлами продолжается в промышленных масштабах. Разработчики из Университета Техаса в Эль-Пасо получили необходимое финансирование, более $2млн, для постройки первой в мире производственной 3D-печатной линии замкнутого цикла. Целью проекта является создание устройства, способного создавать высокотехнологичные устройства, включая беспилотные летательные аппараты. Одной из особенностей системы будет возможность автоматической механизированной установки готовых электронных компонентов и изготовления электрической проводки.
Hybrid Fab - прототип 3D-печатной производственной линии
Само собой, печать проводки подразумевает 3D-печать металлом, да еще и в комбинации с пластиком и керамикой. Даже самые совершенные промышленные системы лазерного спекания не способны к производству разнородных объектов ввиду особенностей технологии. Можно печатать металлом, можно печатать пластиком, но не одновременно. В настоящее время НАСА ведет работу над технологией EBFȝ, сочетающей элементы электронно-лучевой плавки и экструзионной печати, что может позволить практичную печать композитных конструкций, но эта технология обещает остаться недоступной для обывателя за счет высокой сложности и стоимости. С другой стороны, если разработчики из Университета Техаса в Эль-Пасо добьются положительных результатов, то в мире трехмерной печати может произойти настоящая революция: комбинированная печать пластиком и металлом может привести к появлению доступных принтеров, способных печатать электронные компоненты.
В основе разрабатываемой технологии лежит новая система подачи расходного материала, оптимизированная для использования металлов. Экструдер оснащен специальным нагревающим элементом большой длины, позволяющим расплавлять металл до подачи на сопло, а термоизоляция позволяет избежать урона конструкции устройства. И хотя печать сталью или титаном, скорее всего, останется вне возможностей данной технологии, стабильная печать медью или алюминием уже можно будет считать прорывом. В принципе, даже если новая методика печати металлом не оправдает себя, то проект все равно имеет шансы на успех, ведь основной целью является создание производственного комплекса, заведомо использующего некоторые готовые компоненты. Тем не менее, хотелось бы надеяться на полный успех разработки, включая печать по металлу.
Надежды высоки, так как разработчики уже предоставили конкретные образцы своих трудов. Продемонстрированные результаты еще очень далеки от разрешения, необходимого для печати микросхем, но начало положено. В случае успеха технологии будет, по крайней мере, возможно производство электромеханических компонентов - таких, как пошаговые электромоторы, используемые для привода экструдеров, рабочих платформ и вентиляторов. В этом случае станет возможным создание полноценных RepRap устройств - самовоспроизводящихся 3D-принтеров. Что примечательно, основным партнером ученых в разработке экспериментальной производственной линии является компания Stratasys - один из пионеров и текущих лидеров рынка трехмерной печати. Интересным моментом стал тот факт, что Stratasys не стала вкладываться в развитие или приобретение технологий лазерного или электронно-лучевого спекания. Вполне возможно, что Stratasys считает разработку 3D-принтеров для печати металлом на основе FDM более перспективными.
Параллельно разработкам по 3D-печати методом FDM развивается открытый проект по адаптированию технологии электронно-лучевой плавки для бытового использования, получивший название MetalicaRap. Пока же, бытовая и полупрофессиональная 3D-печать металлом останется ограниченной созданием композитных материалов на основе металлической крошки с возможностью дополнительной термической обработки для создания цельнометаллических моделей. И хотя по своей прочности такие изделия уступают литым, в арсенале энтузиастов остается приятная возможность, недоступная для дорогостоящих промышленных устройств - возможность печати разноцветных моделей на основе металлов, ведь цвет полимерных наполнителей легко изменить.
3D печать из алюминия проиходит путем спекания алюминиевого порошка вместе с лазером для производства металлических деталей, которые одинаково хороши, как обработанные модели.
3D-печатный алюминий не похож на традиционный блестящий измельченный алюминий. Вместо этого он имеет матовый серый отдел с слегка более грубой и менее определенной поверхностью. Тонкий блеск, который вы заметите, вызван наличием кремния в сплаве.
Типичное иcпользование
Алюминий подходит для сильных, легких и точных металлических деталей. Приложения варьируются от запасных частей до компонентов автомобилей RC, гаджетов и даже ювелирных изделий.Цены на печать алюминием
Цена основана на- Объем модели : объем вашей модели используется для расчета стоимости материала (мм³)
- Масса модели : объем масса модели (г)
- Ориентация . То, как ваша модель позиционируется на платформе печати, повлияет на создание поддержки и, следовательно, на цену.
Уровень сложности печати настолько высок, что наши специалисты смогут сообщить точную цену, только после получения макета детали или габаритов.
Технология печати алюминием
Металлическая 3D-печать - также известная как Direct Metal Laser Sintering (DMLS) и Select Laser Plting (SLM) - это лазерная технология, использующая порошковые металлы.
Подобно лазерному спеканию, мощный лазер селективно связывает частицы на порошковом слое, в то время как машина распределяет ровные слои металлического порошка. Структуры поддержки автоматически генерируются и создаются одновременно в одном материале и впоследствии удаляются вручную.
После завершения, часть подвергается термообработке.
Дополнительная информация
Можно создавать непрямоугольные, органично сформированные объекты, которые не могут быть получены каким-либо другим процессом.
Поскольку опоры необходимо удалить вручную, некоторые доказательства удаленных структур поддержки могут остаться на вашей модели.
Любые «нависающие» структуры (например, нижняя сторона таблицы) или углы меньше 35 ° будут иметь тенденцию быть менее привлекательными с этим процессом.
Идеальная форма для этого процесса - это сетка. Легко спроектировать и обеспечить наилучшие результаты
Пару лет назад появилось желание приобрести 3D-принтер. Перечитывая различные форумы (roboforum..ru и другие) постепенно пришёл к мысли, что хочу сделать свой принтер. Существующие принтеры не нравились по различным причинам, да и хотелось самому пройти по пути («граблям») принтеростроения. Учитывая, что основную информацию об этом пути почерпнул на выше упомянутых сайтах, считаю необходимым поделится здесь результатом полученных знаний и их воплощением. Может кто посмотрев на конструкцию моего принтера подкинет интересные идеи, заметит «косяки» (которые желательно мне устранить) или использует что-то для себя.
Исходно, что я хотел:
- FDM-технология,
- закрытый корпус,
- наличие вытяжной вентиляции,
- размер области печати 250-300 мм по всем осям,
- подогреваемый стол на 220В,
- ШВП и рельсовые направляющие,
- декартовая кинематика,
- один, два экструдера,
- боуден, директ подача 1,75 мм филамента,
- простота смены экструдера,
- автоуровень стола,
- возможность использования для мелкого сверления,
- катушки с пластиком - внутри корпуса,
- подсветка рабочей области печати,
- простота обслуживания и модернизации,
- максимальная электро и пажаробезопасность.
Проектирование конструкции выполнялось в приложении FreeCAD (а заодно и учился им пользоваться).
При разработке конструкции мне приходилось учитывать то, что изготовить 3D-принтер я могу только используя - дрель, болгарку, заклёпочник, напильники, отвёртки и паяльник. Место сборки - комната в жилой квартире. Радовало то, что не требовалось максимально удешевить конструкцию.
Следовательно, надо было использовать по максимуму готовые элементы или их изготавливать на заказ (желательно по минимуму).
Заказные элементы (которые продавец заранее нарезал мне на нужные размеры):
- конструкционный алюминиевый профиль,
- листы монолитного прозрачного 4мм поликарбоната,
- ремни (ширина – 15 mm), шкивы и ролики для профиля GT2.
Остальные нестандартные элементы конструкции изготавливались мной из готовых изделий при помощи дрели, болгарки и напильника (а как же без него).
В настоящее время принтер ещё полностью не закончен. Осталось (из крупного) сделать: крепления катушек внутри корпуса, кабель-органайзеры.
Кому интересно, приведу некоторые характеристики и функционал получившегося 3D-принтера:
1. Габаритные размеры (X x Y x Z) мм: 800 х 565 х 1040;
2. Кинематическая схема принтера следующая:
- экструдеры перемещаются по осям X и Y (по три рельсовые направляющие и один двигатель на ось, на средней рельсе две каретки),
- платформа стола перемещается по оси Z (четыре ШВП винта, один двигатель, четыре рельсовых направляющих (две надо открутить, но лень да и не мешают работе они)).
3. Рабочий объем принтера (X x Y x Z) для:
- 1-го экструдера – 300 x 290 х 250 мм;
- 2-х экструдеров – 200 x 290 х 250 мм;
- 1-го экструдера и привода установленного на печатающей платформе (планируется) – 250 x 250 х 200 мм (для FLEX-подобных пластиков).
4. Точность принтера (без учёта: тепловых расширений):
- практическая, механическая точность позиционирования (измеренная по рисунку авторучки на листе бумаги) перемещения по осям X и Y – не хуже 0,2 мм,
- практическая, механическая точность (с программной корректировкой) угла между осями X и Y – не хуже 90±0,1,
- практическая, механическая точность позиционирования (измеренная по часовому индикатору) перемещения по оси Z – не хуже 0,02 мм,
- планируемая повторяемость геометрических параметров идентичных изделий – не хуже 0,3 мм.
5. Тест скоростных пределов перемещения для оси Х(Y) составил не более 350 мм/сек. При исходных параметрах a = 3000 мм/с2, Jerk = 20.0 мм/с, перемещение - 300(250) мм, ток 1.8 А, микрошаг 1/32).
6. Тест скоростных пределов перемещения стола, ось Z (a = 20 мм/с2, Jerk = 0.4 мм/с, перемещение - 150 мм, ток 1.4 А, микрошаг 1/16, погрешность возврата 0,02 мм). На пустом столе и с грузом 5 кг, пройдены значения скорости 1 - 6 мм/с, на 7 мм/с - начался пропуск шагов и резонанс на подъёме стола.
7. Подогреваемый стол:
- максимальная рабочая температура стола – 110-130 С (макс температура нагревательного коврика 260 С);
- номинальная тепловая мощность – 800 Вт;
- напряжение – 220 В;
- подключение – через твердотельное реле;
- размер нагревателя: 350 х 350 мм.
8. Слои стола сверху в низ:
8.1. Поверхность для печати (толщина 4 мм): зеркало - 350 х 358 мм.
8.2. Распределитель тепла и каркас для регулировки стола: алюминиевый лист толщиной 5 мм.
8.3. Нагреватель (толщина 3-5 мм) на силиконовой основе.
8.4. Теплоизолятор (общая толщина 40 мм):
- листовой базальтовый картон (используется для каминов и печей, толщина 10 мм, 2 шт.),
- силиконовый коврик для выпечки (толщина 2 мм),
- стекломагнезитовая плита (толщина 10 мм),
8.5. Пункты 2-4 собраны в сборную конструкцию на основе алюминиевого уголка 40х40х1.8мм.
9. Результаты температурных испытаний:
9.1. Установленный на рабочий стол термопредохранитель имеет параметры 160/125 С(разм/зам) (исходя из тестов) самого термопредохранителя.
9.2. При тестировании собранного стола в собранном принтере и лежащем на нём зеркале при непрерывном нагреве от 100С сработка (разрыв цеми) термопредохранителя произошла только при 180С.
9.3. Восстановился термопредохранитель при 125С.
9.4. Температура измерялась по датчику установленному в нагревательном коврике стола.
9.5. По умолчанию в прошивке Marlin устанавливается максимальная температура стола в 150С.
9.6. Нагрев верхней поверхности зеркала по термопаре:
- от 21С до 65С по датчику в силиконовой грелке за 2 мин,
- от 65С до 125С по датчику в силиконовой грелке за 3,5 мин,
10. Длительный нагрев нагревательным столом с температурой 75 С не утеплённой камеры принтера внутри принтера поддерживает температуру - 30-35С.
11. Длительный нагрев нагревательным столом с температурой 135С не утеплённой камеры принтера внутри принтера поддерживает температуру - 50-55С.
12. Плата RUMBA, драйвера двигателей DRV8825, двигатели 17HS24-2104S.
В итоге в результате получилось почти всё, но есть недостатки:
1. Тяжеловат корпус получился - около 60-70 кг.
2. При печати достаточно сильно чувствуется запах разогретого пластика (использовал ABS и PLA натуральный от разных производителей), что доставляет заметный физический дискомфорт. Возможно: недостаточная вытяжка или особенности моего организма (хотя у членов семьи та же реакция).
3. Не ожидал, что при печати на 50 мм/с будет виден резонанс (это видно на фотографии 10), так как использовал 15 мм полиуретановый ремень со стальным кордом.
4. Так как в электропроводке квартиры нет заземления, то и корпус 3D-принтера заземлить не получилось. Ранее рассматривался вариант зануления вместо заземления, но от него отказался.
Ну вот как-то так.
Для наглядности прилагаю фотографии. Внешний вид принтера на фотографиях 1-7, а пример распечатанной детали на фотографиях 8-11.
Вот дизайн второй детали. Я нарисовал две формы в Illustrator-е и придал им глубину в OpenSCAD. Очень быстро и легко. Теперь у меня есть 3D модели, пора их напечатать!
Процесс печати первой детали на моем Ultimaker (ускоренная съемка).
Получившаяся деталь в руке.
Печать второй детали.
Вторая напечатанная деталь в руке.
Проверка как обе детали совмещаются.
Литники и воздуховоды прикреплены, всё готово для заливки формовочной массы.
Формовочная масса - 50% мелкого песка и 50% гипс.
После добавления воды и тщательного перемешивания я использовал домашний вакуумный упаковщик для продуктов, чтобы избавиться от пузырьков воздуха в формовочной смеси.
Вторая деталь готова к формовке!
Первая деталь заливается!
Деталь полностью погружена в смесь - надеюсь всё получится.
Обе формы установлены для просушки.
Через пару часов я поместил формы в печь на средний жар.
Моя новая маленькая печь. Быстро разогревается для 10 фунтов (~4.5кг) или менее расплавленного алюминия. В 2 раза больше, когда разгорится.
Формы хороши и прожарены. После разогрева до примерно 1200F (650C) у пластика нет ни шанса. После извлечения я продул формы сжатым воздухом, чтобы выдуть любые остатки пепла.
Все еще горячие формы помещены в сухой песок. Он служит нескольким целям:
- дополнительная поддержка, так как формы - достаточно хрупкие
- изолирует формы и удерживает тепло при застывании
- позволит мне установить расширители для литников(смотри ниже). Расширитель дает дополнительное давление при литье, а также работает как стояк, который остается расплавленным и обеспечивает дополнительный металл в то время, как отливка застывает и сжимается
Мои расширители литников - это просто обрезанные алюминиевые банки. Отлично работает!
После плавления алюминия с небольшой добавкой меди в тигле, удаления шлака - время заливать!
Как классно! Похоже формы заполнились идеально. Теперь тяжелая часть - ждать достаточно долго пока металл остынет, чтобы я узнал получились детали или нет.
Отлично! Детали прямиком из песка, только литники и воздуховоды отрезаны.
Я нарезал центральное отверстие мелким 14мм метчиком. Похоже все замечательно соединяется.
Мне нравятся детали на отливке - можно увидеть все линии от 3D-печати, их ширина всего 0.2мм.
Момент истины - подходят ли к раме? ДА! Я сделал пластиковую деталь, чтобы она идеально подходила к раме, затем напечатал ее еще раз с увеличением размера в 102%. Когда алюминий остывает он усаживается в точности на 2%.
Центр черного нипеля - это место откуда будет выходить сфокусированный луч CO2 лазера. Трубка - для сжатого воздуха, чтобы сдувать дым на пути лазера (так называемый air-assist).
Похоже я смогу этому найти хорошее применение!
Черная дыра в центре - это фокусирующая линза.
Я так рад, что части подошли к раме идеально без дополнительной обработки и даже без напильника!
Это первый тест моего лазера. Примерно на 60% мощности. Мгновенно прожигает дерево.
От переводчика:
Jeshua Lacock сделал замечательное, фактически пошаговое, руководство методики литья алюминия с пластиковых моделей напечатанных на 3D принтере. Для интересующих в практическом аспекте - на сайте instructables.com есть много рецептов
