Цветная 3D-печать является своего рода мечтой для домашнего пользователя, и множество исследователей работают в этом направлении с переменным успехом.
Тем не менее, им удалось добиться некоторых результатов в одном из направлений, в то время как другие всё ещё остаются не разработанными (предоставляя вам поле для деятельности).
Этот обзор далеко не полный — здесь я выбрал только то, что было бы интересно мне самому, и что, на мой взгляд, имеет некоторые перспективы.
Итак, посмотрим, какие варианты для домашнего пользователя имеются в области FDM-печати, одном из наиболее популярных видов 3D-печати.
Вообще говоря, в данный момент цветная трёхмерная печать не является чем-то удивительным. Достаточно давно она обосновалась как минимум в области архитектурного 3D-моделирования, где представлена принтерами, наносящими колерованное связующее на порошкообразный гипс, после этого наносится новый слой гипса и процесс повторяется. Такая технология является достаточно дешёвой и позволяет создавать объёмные архитектурные 3D-распечатки.
Кстати говоря, подобные же технологии применяются и в машиностроении: эпоксидное связующее наносится специальной распыляющей головкой на выровненную поверхность из мелкого песка, после чего также процесс повторяется слой за слоем, а получившаяся форма выступает в качестве литейной:
Однако габариты и стоимость принтеров этого типа далеки от домашнего использования.
Более простыми и более доступными (условно, т. к. цена не особо низкая) для домашнего пользователя стали известные принтеры с двумя соплами, в частности, модели от компаний Makerbot и Picaso 3D, позволяющие печатать двумя соплами.
Принтеры с двумя соплами дают возможность печатать как основным цветом, которым и создаётся модель, так и дополнительным для поддержек. Или же, можно осуществлять печать двумя цветами, переключаясь между ними.
Но, как можно было бы догадаться, инженерная мысль не ограничилась только этими вариантами и был разработан ряд вариантов, где печатающая головка принтера содержала три, четыре и более сопел:
Картинки: top3dshop.ru
При этом, если сначала инженеры двигались просто в направлении увеличения количества экструдеров, как можно видеть на картинке выше, где представлен так называемый «Кракен» (печатная головка с водяным охлаждением и четырьмя вводами прутка), то в дальнейшем разработки привели к созданию так называемой «Diamond Hotend» (есть на картинке выше), которая была так названа из-за сходства с алмазом сопла печатающей головки.
Такая головка позволяет в рамках одного сопла смешивать до пяти пластиков. Причём слово «смешивать» здесь стоит употребить в кавычках, так как подобные головки обычно страдают так называемым эффектом «тюбика с зубной пастой», подразумевающим то, что пластик не смешивается полностью друг с другом и выходит в виде колбаски, у которой отдельные части окрашены в разные цвета.
Ещё одним альтернативным путём развития этой идеи, а именно использования нескольких видов прутка пластика, стали так называемые Multi Material Unit-ы, представляющие собой устройства, в которые можно загрузить до пяти прутков, а специальный искатель выберет нужную, подрежет её и с использованием встроенного ножа направит в стандартную трубку в сторону хотенда:
Тем не менее, у всех этих вариантов есть существенный недостаток: дело в том, что смена цвета не происходит моментально и, по отзывам некоторых пользователей на форумах, такая смена приводит к затратам вплоть до 10 см длины прутка.
Чтобы в то время, когда один пруток меняется на другой и идут переходные процессы, недостаточно чистые цвета не испортили модель, при смене цвета головка отъезжает в сторону и начинает строить так называемую «башню для очистки», то есть, проще говоря, она просто туда сливает весь пластик, который, по расчётам слайсера, должен быть недостаточно чистым.
Таким образом, помимо того, что такая «условно многоцветная» печать увеличивает время, так как начинает тратить его ещё и на слив грязного пластика, она, естественно, вызывает и повышенный расход пластика.
Ну и при таком подходе всё равно говорить о полноцветной печати не приходится. По сути, максимум возможностей этой технологии — печать разными цветами разных мест модели (рука — одним, голова — другим и т. д.).
Поэтому некоторые пользователи поступают проще: ставят печать на паузу и вручную меняют пруток. Дёшево и сердито…
Мало того — подобный подход позволяет ещё и наглухо «впечатывать» в модель закладные элементы. Металлическую/иного материала деталь просто приклеивают или иным способом прикрепляют в специально предназначенный для неё паз и запечатывают её сверху новыми слоями пластика. В частности, таким способом некоторые умельцы делают армирование деталей металлической проволокой или стеклянными нитями/стеклотканью.
Тем не менее, использование головок типа Diamond (самый дешёвый вариант стоит в известном китайском магазине порядка 1500 руб) является довольно любопытным, и если кто-то заинтересуется именно этим видом многоцветной печати, то рекомендую ознакомиться с официальным wiki, где содержится подробная информация по установке и настройке головок такого типа, а также с рекомендацией по смешиванию цветов с использованием этой головки.
Если же даже и собирать не хочется, то существуют уже готовые принтеры, позволяющие работать с несколькими цветами сразу. Например, такие как Zonestar Z8M4 Pro:
Или Bambu Labs P1S:
Но не так давно появился ещё один интересный вариант, сочетающий в себе интересным образом технологии, которые ещё ранее не встречались: струйную печать (как на цветных струйных принтерах) и FDM-печать — da Vinci Color.
Принтер содержит в своей печатающей головке как стандартный hotend, так и подобную струйным принтерам головку для распыления жидкой краски в цветовой модели CMYK (т. е. работает четырьмя видами красок: cyan, magenta, yellow, key color (т. е. чёрный)).
Печать осуществляется следующим образом: принтер наносит слой расплавленного пластика и прямо на него же распыляет жидкую краску. То есть, по сути, процесс аналогичен тому, что наблюдается при FDM-печати, только добавляется ещё и распыление краски:
Как можно видеть, распечатки у него получаются достаточно интересные…
Несмотря на кажущуюся странность последнего принтера, в котором происходит распыление жидкой краски прямо на пластик, этот подход только на первый взгляд кажется странным: насколько мне удалось выяснить, разбрызгивание/распыление/смешивание с краской являются одними из стандартных подходов при заводских технологиях производства цветных пластиков!
Хотя зачастую используется, конечно, другой подход: когда окрашивающий колер уже смешан с пластиком и поставляется в виде гранул, которые и примешиваются к гранулам основного пластика с целью их окрашивания при плавлении.
Тем не менее, первый подход тоже имеет место быть и является вполне себе заводским вариантом, так что разработчики принтера Da Vinci поступили вполне себе обдуманно (хоть и несколько непривычно)…
В принципе, такой подход очень интересен тем, что, используя не отдельные прутки, а всего лишь один пруток белого цвета, его можно окрашивать в любые цвета в рамках множества оттенков!
Именно таким путём и пошёл один из энтузиастов, который сделал очень интересное устройство, не встречавшееся ранее: он просто взял и стал красить пруток фломастерами (как бы глупо это ни звучало :-)
Тем не менее, результат он получил вполне достойный:
По сути, он заложил основы очень интересного подхода: когда не нужно менять пруток, а достаточно всего лишь окрашивать его!
Насколько можно предположить по внешнему виду его установки для печати, он вёл печать PLA-пластиком (о чём говорит хотя бы открытая конструкция принтера), что, в свою очередь, объясняет, почему плавящийся пруток не привёл к деградации цветов — просто-напросто температура была достаточно низкой (хотя, с другой стороны, может быть, краски для фломастеров являются термостойкими?!).
В дальнейшем он усовершенствовал эту систему, установив подачу краски с помощью перистальтических насосов для каждого цвета, которые подавали быстросохнущие краски на спиртовой основе.
К сожалению, ему не хватило терпения довести всю систему «до ума», тем не менее, его результат является, на мой взгляд, очень достойным и заслуживает весьма пристального внимания…
Ещё один любопытный вариант представлен своеобразной головкой, используя которую автор предлагает не менять один пруток на другой или подавать их одновременно, как в других принтерах. Вместо этого он предлагает подход, в рамках которого полупрозрачный пластик наносится на основной пруток белого цвета, наподобие оболочки:
Варьируя толщину этой оболочки, можно добиваться разной интенсивности цветов.
Автор опробовал максимально пять разных цветов, изготовив головку на пять каналов и, как он заявляет, такой подход даёт самое плавное смешение цветов из всех FDM-методов (он даже собирался выставляться с этим подходом на кикстартер).
Этот подход интересен не только своеобразным вариантом окрашивания, но и любопытной работой с программным обеспечением: как только слайсер сгенерирует g-код, он загружается в известный 3D-редактор Blender, где с использованием add-on-а автора происходит ручное раскрашивание 3D-модели (3D-редактор видит g-код в виде модели) с последующим его сохранением и распечатыванием на 3D-принтере.
То есть мы тут видим любопытный подход, по сути, с ручным раскрашиванием 3D-модели в g-коде!
По идее, этот подход можно использовать не только здесь, но и в других применениях…
Страницу проекта с полным описанием можно посмотреть вот здесь.
Однако наиболее перспективной и интересной технологией на данный момент, на мой взгляд, является технология polyjet от компании Stratasys, которая представляет собой, по сути, струйный принтер, распыляющий фотополимерную смолу разных цветов и отверждающий её встроенным в головку источником ультрафиолета:
Технология не является новой, нечто похожее давно используется в рекламной индустрии для печати широкоформатных плакатов, где чувствительные к ультрафиолету краски распыляются и тут же отверждаются головкой.
Сейчас подобные технологии распыления цветных фотополимерных смол являются наиболее интересными ввиду широкого их распространения из-за развития фотополимерной печати.
Тем не менее, такой подход в общедоступных принтерах ещё не используется, а названная выше технология polyjet не является особо доступной для домашних пользователей и больше предназначена для корпоративных заказчиков.
Поэтому, если бы кто-то сконцентрировал свои силы на создании цветного фотополимерного принтера, это было бы как минимум очень интересно, и дало новые возможности для домашних пользователей.
То есть, другими словами, на данный момент вопрос фотополимерной смолы, можно сказать, снят. Основные вопросы остаются только в области печатной головки и программного обеспечения.
Посмотрим, как можно было бы создать подобную головку? Все головки струйных принтеров, в той или иной степени, базируются на одной и той же технологии — пьезоэлектрическом эффекте, где проходящий электрический ток заставляет изгибаться с большой частотой пьезопластинку, которая, по сути, представляет собой маленький поршень, находящийся в камере с краской, где прямо напротив пластинки расположено отверстие сопла. Изгиб пластинки приводит к увеличению давления в камере и выбрасыванию из сопла маленькой капельки краски.
Очень хорошо эта технология объяснена в следующем видео, где показана как работа самой пластинки, так и то, что, в зависимости от сигнала, происходит варьирование размера капли:
Некоторые люди уже начинают работать в этом направлении, например, в следующем проекте был реализован пока не 3D-принтер, но уже вполне себе XY-принтер, позволяющий печатать жидкими красками. Он интересен тем, чтобы был построен на основе самодельной пьезоголовки, где в качестве пьезоэлемента выступили известные пьезопластинки, которые обычно используются для создания тумана, увлажнителей.
Так как жидкости не сжимаются, резкое и быстрое искривление пластинки приводит к весьма активному выбросу капли из сопла, больше похожему на «выстреливание», как можно видеть в видео ниже:
Излучатели такого типа являются весьма доступными для экспериментов, например, на известном китайском сайте они стоят порядка 58 руб за 10 штук диаметром 12 мм, или 200 руб за 10 штук диаметром 50 мм:
Картинка: aliexpress.ru
Подробное описание постройки вместе со всеми необходимыми деталями для 3D-печати и прошивкой можно найти на странице проекта.
А подробное описание постройки пьезоголовки на базе названных выше пьезоизлучателей, а также код под Arduino для этой головки, можно найти здесь:
Картинка: reprap.org
Подытоживая этот рассказ, можно сказать, что «последнее слово» в области широкодоступной цветной 3D-печати ещё не сказано, и у вас есть все шансы поучаствовать в этой гонке, а представленные в описании выше файлы проектов могут помочь вам в достижении этой цели ;-)
Автор:
DAN_SEA
