Доступная 3D печать для науки, образования и ус... Александр Кузнецов

30
3D-печать шаг за шагом
Процесс воплощения идеи в красочном пластиковом объекте, созданном при помощи нашего 3D-принтера, достаточно длинный и сложный. В него вовлечено много разных вещей, которые должны взаимодействовать и слаженно работать:
•
Первый шаг – это создание 3D-модели нашей идеи, цифрового двойника объекта, который мы хотим напечатать (этап цифрового моделирования).
•
Второй шаг – создание файла правильного формата (обычно «STL»), содержащего всю геометрическую информацию, необходимую для отображения нашей цифровой модели (этап экспортирования).
•
Если мы ленивы, то два предыдущих шага можем пропустить: просто загрузим цифровую модель из интернета (например, из Thingiverse).
•
Если наша модель была спроектирована не особо тщательно, в ней могут быть дефекты. Мы должны попытаться исправить их при помощи программы (этап
восстановления полигональной сетки или "mesh repairing").
•
Третий шаг – преобразование цифровой модели (технически это трёхмерный образ цельной поверхности (сетки), ячейками которой являются треугольники) в список команд, которые наш 3D-принтер может понять и выполнить, обычно это называется G-код (этап нарезки или "slicing").
•
Четвёртый шаг – дать принтеру список инструкций, например, через USB соединение с ПК или скопировав файл на карту памяти, которая будет прочитана принтером самостоятельно (этап соединения).
•
Пятый шаг – запустить 3D-принтер, начать печатать и ждать результата (печать).
•
Шестой шаг – снять только что созданный объект с рабочей платформы, удалить вспомогательные части (т.е. поддерживающие опоры и/или подложку – если они есть), очистить его поверхности (этап конечной обработки).
Есть ещё несколько моментов, которые тоже нужно учесть, чтобы результат был успешным:
выбор 3D-принтера, его калибровка и установка, тип и качество пластиковой нити, тип поверхности печатной платформы. Все эти и упомянутые раньше аспекты будут рассмотрены более детально, с практической точки зрения на следующих страницах.

31
3D-моделирование
Первый шаг к печати реального объекта – это создание виртуальной цифровой 3D-модели с помощью программы, часто называемой САПР (система автоматизированного проектирования,
CAD). Есть много подобных программ для самых распространённых платформ (Windows, Mac OS
X, Linux), некоторые из них бесплатны или даже имеют открытый программный код.
Начать пользоваться программой
САПР непросто, могут потребоваться недели или месяцы
(и много терпения и практики) на то, чтобы выучить значение всех многочисленных пунктов меню и иконок. Даже простое понимание того, как двухмерное движение мыши переводится в трёхмерную среду программы, для некоторых может оказаться сложной задачей и затруднить манипуляции с моделью или изменение точки обзора, не говоря уже о более сложных вещах, таких как вращение объекта, пересечения и т.д.
Примеры бесплатных программ для технического 3D-моделирования:
•
SketchUp
14
(простая, с обширным сообществом пользователей и обучающими видеопособиями, но так или иначе ограниченная; оптимальна для создания простых моделей).(.прим. ред.: как бонус – русский интерфейс)
•
FreeCAD
15
(программа с открытым исходным кодом под Win/Mac/Linux для двухмерного и трёхмерного параметрического моделирования, достаточно сложная для изучения, но с хорошей документацией и всегда готовым помочь пользовательским сообществом).
•
Blender
16
(мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом под
Win/Mac/Linux, оптимизированное для сложной анимации и рендеринга 3D- объектов и персонажей, неинтуитивное и сложное для изучения). (прим. ред.: с возможностью переключаться на русский интерфейс, с доступными пособиями в т.ч. и видео- на русском языке, с возможностью экспортирования в STL и инструментом для создания 3D скульптур)
•
Autodesk™ Inventor Fusion
17
(профессиональное САПР приложение под Win/Mac, бесплатное для некоммерческого использования; был вытеснен более новой,
"облачной" версией: Fusion 360)

32
•
OpenSCAD
18
(не приложение, а язык программирования для создания 3D-моделей с помощью алгоритмов, очень мощный и многофункциональный, довольно сложный, но попробовать стоит).
Примеры бесплатных программ для художественного 3D-моделирования:
•
Sculptris
19
(приложение под Win, Mac для создания виртуальных скульптур. Робота в программе очень напоминает процесс лепки из настоящей глины)
•
Autodesk 123D Design
20
(Mac, Win, iPad, веб-приложение, простой интерфейс с множеством функций).
Иногда для создания несложной 3D-модели проще использовать один из множества специализированных сайтов, которые предлагают инструменты для быстрого создания и доработки объектов (такие инструменты называются веб-приложениями).
Примеры веб-приложений для 3D-моделирования:
•
TinkerCAD
21
(сейчас закрыт). (прим. ред.: TinkerCAD поглощён корпорацией
Autodesk, но проект на плаву, и после регистрации на сайте вы можете пройти несколько простых уроков и по их выполнении получить первые предметы для 3D печати)
•
3Dtin
22
•
ShapeSmith
23
•
Cubify
24
•
Autodesk 123D Design
20
В качестве последнего пункта этого краткого обзора программ для 3D-моделирования стоит заметить, что в последнее время подобные приложения выпускаются и для планшетов с сенсорными экранами, таких как iPad фирмы Apple. Примеры таких приложений:
•
netfabb, 3Dskope, KiwiViewer, vueCAD и MeshLab (просмотрщики файлов STL, не способные создавать или изменять модели; все бесплатны)
•
Приложения Autodesk из семейства 123D: 123D Sculpt (создание моделей с натуралистично закруглёнными гранями, бесплатно), 123D Design (создание геометрических, «квадратных» моделей, бесплатно) и 123D Creature (создание персонажей, не бесплатно, но продаётся по минимальной цене)
•
Autodesk 123D Catch (3D-сканирование камерой iPad или iPhone, бесплатно, но требуется регистрация).
Получение 3D-моделей из интернета
Хорошей идеей будет, прежде чем начать создавать свои собственные 3D-модели и начинать работать с более или менее сложными программами, обратить внимание на уже готовые модели, сделанные другими и любезно размещённые ими в Сети для бесплатного пользования. Окинем взглядом самые полезные веб-ресурсы 3D-моделей:

33
•
Thingiverse
25
: ресурс используется большинством энтузиастов дешёвой 3D-печати как источник готовых моделей и для обмена своими творениями. Здесь предлагается более 50 000 пользовательских 3D-моделей. Большинство из них сделано для 3D-печати, но есть также модели для лазерной резки и других, более традиционных методов обработки. Всё содержимое можно скачать бесплатно.
Большинство моделей легко напечатать, но лучше сначала проверить, была ли данная модель уже напечатана кем-нибудь из пользователей и с каким результатом
(посмотрите раздел «who has made it» – «кто сделал это» в описании модели).
•
Autodesk 123D
26
: сайт с большим количеством объектов, которые можно бесплатно скачать после регистрации. Файлы уже в формате STL.
•
3D CAD browser
27
: онлайн-ресурс обмена 3D-моделями для графических дизайнеров
(CGI) и инженеров, работающих с CAD/CAM/CAE. Здесь много автомобилей, животных, архитектурных моделей и т.д. Как всегда, бесплатное скачивание в разных форматах после регистрации. Не все модели подходят для дешёвой 3D- печати.
•
GrabCAD
28
: загрузка файлов в этом обширном онлайн-хранилище доступна без регистрации. Много разных трёхмерных цифровых объектов – от маленьких гаек и болтов до целиком гоночных автомобилей с тысячами превосходно сделанных механических деталей. Но для 3D-печати подходит только небольшая часть этих объектов, большинство же может служить лишь как замечательные сложные примеры в 3D фотореалистичном рендеринге.
•
Shapeways
29
: Веб-сайт, предлагающий множество замечательных проектов, загруженных пользователями, но почти ничего нет в свободном доступе. Вы можете заплатить, чтобы загрузить некоторые модели или просто заказать у Shapeways распечатку их в пластмассе или металле (от алюминия до меди или стали, а также позолоченные или посеребренные) и доставить вам, за разумную цену, с гарантией прекрасного результата.
•
3D warehouse
30
: электронное хранилище SketchUp, с сотнями моделей самых разных типов объектов. Придётся, правда, внимательно поискать, чтобы найти пригодные для печати.
•
3D via
31
: небольшое хранилище 3D-моделей, которые можно бесплатно скачать после регистрации.

34
На большинстве этих сайтов доступные для скачивания файлы предлагаются в нескольких форматах, что позволяет легко изменить модели и подогнать их под свои требования. Они также могут служить источником упражнений для изучения возможностей современных программ для
3D- моделирования.
Но даже если на сайте есть только файлы STL, можно после скачивания импортировать их в программу 3D- дизайна (иногда для этого нужны специальные плагины) и таким образом получить возможность изменить их перед печатью. Многие скачивают и печатают модели самых известных разработчиков-любителей (например, Dizingof и Emmett на Thingiverse) или используют их в качестве основы и источника вдохновения при создании новых и более подходящих для печати (производных) моделей, не нарушая при этом авторские права, лицензии или моральные принципы. Это уже давно распространённая практика для работы с исходным программным кодом (являющаяся основой философии открытых источников), но она почти беспрецедентна в художественном и техническом мире, где люди намного чаще применяют авторское право на блокировку своей работы всеми юридическими и техническими средствами в попытке (чаще всего безуспешной) защитить их от копирования или изменения.
И даже если мы ещё не научились изменять чужие модели, тот факт, что огромное сообщество творческих людей имеет возможность сделать это, а также наличие нескольких сотен тысяч 3D-моделей, доступных для бесплатного скачивания, служит нам одновременно и стимулом, и вызовом для того, чтобы улучшать наши собственные навыки создания моделей, чтобы не отстать. Ведь возможно, приближается следующий тип цифрового неравенства – между теми, кто умеет создавать любые 3D-объекты, которые им нужны или просто нравятся, и теми, кто этого не умеет. Но даже если нам посчастливилось, и мы находимся на «творческой» стороне этого неравенства, нужно сделать ещё один шаг, чтобы стать настоящими создателями –

35 выбрать 3D-принтер (купить или собрать, а ещё лучше купить и собрать), устройство, которое воплотит наши виртуальные проекты в реальные 3D-объекты…
Оборудование для 3D-печати
Нам потребовалась бы сотня страниц, чтобы перечислить характеристики и функции всех дешёвых 3D-принтеров, имеющихся сейчас в продаже (готового оборудования или наборов для самостоятельной сборки), или тех, которые разрабатываются энтузиастами движения свободного аппаратного обеспечения, загружающими свои схемы и инструкции по сборке в интернет для бесплатного скачивания.
Действительно, сейчас, возможно, худшее (и в то же время лучшее) время для покупки 3D-принтера: слишком большой выбор; постоянно меняющийся рынок, на котором чуть ли не каждый день старые модели сменяются новыми; много важных и стремительных усовершенствований технологии, которые каждый месяц делают для нас доступными новые функции, новые материалы для печати, более быстрые и надёжные принтеры, более точные результаты, более низкие цены и т. д. Довольно сложно следить за всем этим развитием, размышлять, что будет дальше, и при этом всё ещё быть в состоянии решить, какой принтер стоит приобрести сегодня.
На данном этапе очевидно, что любой совет и любая информация, которым сегодня можно доверять, в скором времени станут устаревшими или просто ошибочными, и поэтому не стоит впадать в искушение и бежать за своим первым 3D-принтером с верой в то, что эта модель навсегда останется лучшей. Пожалуй, определить, какая из моделей лучшая, вообще невозможно, ведь всё зависит от наших потребностей, интересов и способностей. Может, лет этак через десять всё будет проще, и в этой сфере появится очевидный лидер, а может и нет. Но сейчас наш единственный вариант – следовать за этим стремительным развитием, если не меняя принтер каждый год, то, по крайней мере, следя за новостями, отслеживая изменения и – самое

36 важное – экспериментируя так часто, как это позволяют наши ресурсы (самым ценным из которых порой является время, а не деньги, особенно когда его недостаточно).
Идеальное решение при выборе нового принтера – купить модель, которую с течением времени можно будет без проблем обновить до усовершенствованной версии. У такой модели должно быть достаточно много пользователей, а её разработчики должны быть умными людьми, которые всегда стремятся к лучшему, устраняя недоработки и исследуя новые направления развития. Если вы спросите, как называется такой принтер, каждый ответит вам по-своему – просто потому, что единственно верного ответа нет. К счастью, у нас на выбор есть очень хорошие принтеры, интересные и даже великолепные модели, и все они разные, потому что мы тоже все разные.
Давайте рассмотрим некоторые наиболее распространённые дешёвые 3D-принтеры, на которые сегодня стоит обратить внимание. Нам следовало бы классифицировать их в соответствии с философией разработчиков, но иногда сложно найти границу между тремя главными категориями. Поэтому пришлось просто распределить их между двумя крайностями – от «абсолютно открытый, пользователю даётся полный контроль, для эксплуатации нужен большой опыт» до «полностью закрытый, пользователю даётся минимум контроля, подходит для неопытных пользователей», со всеми возможными промежуточными вариантами.
Авторский список лучших примеров для изучения (не обязательно лучших для печати) приведен здесь только как предложение и отправная точка, его нельзя назвать исчерпывающим.
1.
3D-принтеры в «хакерском» стиле: «сделай сам», открытые аппаратные средства, полностью настраиваемые.(прим. ред. Хакер – человек, который врубается в дело, работает быстро и грубо, но эффективно)
•
RepRap
32
: большое семейство, почти что дерево эволюции 3D-принтеров! Часто продаются под другими названиями и марками, оставаясь при этом, по большому счёту, модификациями одной из основных моделей RepRap: o
- Darwin: исходная модель, сейчас заменена другими конструкциями; o
- Mendel / Prusa Mendel / MendelMax: с характерным треугольным каркасом;

37 o
- Wallace и Huxley: две модели меньшего размера и упрощённой конструкции; o
- Rostock: дельта-принтер с не-Декартовой конструкцией
33
(печатающая головка держится и управляется тремя манипуляторами, выстроенными в пирамидальной форме и прикреплёнными к вертикальным стойкам; основание зафиксировано), это очень интересная и уникальная модель.
•
Ultimaker
34
(очень точный принтер из Нидерландов).
•
Printrbot
35
(ряд дешёвых принтеров, включающий в себя несколько портативных моделей, из США).
2.
Простые в обслуживании 3D принтеры: хороший компромисс: заранее полностью собранный, однако частично настраиваемый, принтер с меньшей «открытостью», но более легкий в использовании и предсказуемый.
•
Makerbot
36
– всемирно известная компания, которая популяризировала дешевые 3D принтеры. Две доступных в настоящее время модели – эволюция предыдущих популярных принтеров, которые были, вероятно, первыми, проданными большому количеству любителей создавать: o
Replicator (с двойным экструдером, который может печатать двумя цветами, или двумя видами пластмассы одновременно), с фанерным каркасом и специальным общедоступным программным обеспечением. (прим. ред. – полноценные чертежи первого репликатора. а также детали для лазерной резки (фанерный каркас) и пластмассовые части для распечатки без труда можно найти и скачать на Thingiverse) o
Replicator 2 (более новая копия с прочным металлическим каркасом, менее открытая, например, чертежи не доступны в онлайне, как это было для Replicator,

38 но более надежная и удобная. Программное обеспечение было также модернизировано (уже не с открытыми исходниками). Есть также версия 2X с двойным экструдером и подогреваемой платформой.
•
Solidoodle
37
, третье поколение доступных 3D принтеров, предлагающих различные размеры печати и интересные опции, такие как прочный алюминиевый корпус и подогреваемую платформу.
•
Afinia Up!
38
его «плюс» и «мини» версии универсальных принтеров «для остальных», тех кто не "махровый" хакер, но все еще требует немного свободы для экспериментов.
3.

перейти в каталог файлов