Всем привет, Друзья! С Вами компания 3DTool!
Выбрать подходящую аддитивную систему (3д-принтер) из тысяч доступных вариантов — задача нелегкая, особенно для начинающих пользователей. В этой статье мы затронем основные моменты, которые необходимо учитывать при покупке оборудования для 3D-печати и постараемся сформировать некий гайдлайн для выбора подходящего варианта.
1. Технологии 3D-печати
На сегодняшний день существуют десятки разновидностей технологий 3D-печати, но большинство из них либо слишком дорогие, либо слишком узкопрофильные для любителей и малого бизнеса. Основными направлениями остаются быстрое прототипирование и штучное или мелкосерийное аддитивное производство с использованием полимерных материалов. Здесь доминируют три технологии c хорошей ценовой доступностью — послойное наплавление полимерных филаментов (FDM/FFF), стереолитография (SLA/DLP/MSLA) и селективное лазерное спекание (SLS).
Экструзионная 3D печать (FDM/FFF)
Самая популярная из трех — экструзионная печать с использованием полимерных и композиционных филаментов, то есть Fused Deposition Modeling или просто FDM. Существует и альтернативное англоязычное название — Fused Filament Fabrication или FFF. Это объясняется тем, что термин Fused Deposition Modeling, как и сама технология, до 2009 года был интеллектуальной собственностью корпорации Stratasys, первого разработчика коммерческих FDM 3D-принтеров. Конкурентам пришлось придумать альтернативное название, но с тех пор срок действия патента истек, и теперь оба названия используются наравне. Срок действия последнего патента, касавшегося термостатированных рабочих камер, закончился в 2021 году, так что в наше время FDM и FFF — абсолютно одно и то же.
Своей популярностью технология FDM 3D-печати обязана в первую очередь широкому выбору расходных материалов — от легкоплавких пластиков и эластомеров разной жесткости до армированных угле- и стеклонаполненных композитов и тугоплавких конструкционных термопластов, способных конкурировать даже с некоторыми металлическими сплавами, например алюминиевыми.
Обзор 3D-принтера Flashforge Guider 3 Plus:
Стереолитография (SLA/DLP/MSLA)
Главный недостаток FDM 3D-печати — относительно низкое разрешение и вытекающее качество поверхностей. Изделия демонстрируют характерную ребристость, хотя ее заметность зависит от толщины укладываемых слоев. Как результат, зачастую требуется механическая и/или химическая постобработка. Когда на первый план выходит эстетика, выручает стереолитография.
Этот метод основан на отверждении фотополимерных смол источниками света, как правило ультрафиолетовыми излучателями. Основное преимущество таких систем как раз в высоком разрешении: хотя построение тоже осуществляется послойно, ребристость слоев почти незаметна, а детализация индивидуальных слоев заметно выше, чем при FDM 3D-печати. Это обуславливает популярность стереолитографии в таких сферах, как стоматология, ювелирное дело и высокоточное прототипирование.
Стереолитография доступна в трех основных вариантах. Лазерные стереолитографические системы (SLA) относительно дороги, так как используют лазеры с прецизионными системами позиционирования. Такое оборудование обычно встречается в профессиональном сегменте.
Обзор профессионального лазерного стереолитографического 3D-принтера Formlabs Form 3L:
DLP 3D-печать полагается уже на цифровые проекторы, где слои засвечиваются целиком, а не точка за точкой, помогая повышать производительность. В большинстве своем это тоже достаточно дорогие системы, опять-таки преимущественно встречающиеся в профессиональном секторе. Наиболее доступный и распространенный вариант — технология ЖК-масочной стереолитографии (MSLA), где рисунки слоев формируются жидкокристаллическими матрицами со светодиодной подсветкой. Такое оборудование относительно дешево, легко масштабируется вверх, а по качеству 3D-печати вполне сравнимо с более дорогими лазерными и проекторными аналогами. Удачная комбинация ценовой доступности, производительности и качества обуславливает быстрый рост MSLA 3D-печати.
Обзор недорого MSLA 3D-принтера QIDI Tech i-Box:
Главный недостаток стереолитографической 3D-печати — относительно скромный выбор расходных материалов. Фотополимерные смолы в целом не обладают достаточными прочностными свойствами для 3D-печати механических, нагруженных деталей. Эта технология прекрасно походит для высокоточного моделирования, но если требуется 3D-печать функциональных изделий, лучше полагаться на FDM 3D-печать или селективное лазерное спекание. Селективное лазерное спекание (SLS)
В целом самая дорогая разновидность, но с серьезными достоинствами в плане функционального прототипирования и мелкосерийного производства. Технология основана на послойном спекании мелкодисперсных полимерных порошков лазерными излучателями. На выходе получаются изделия с высокой плотностью, изотропностью и качеством поверхностей.
SLS 3D-принтеры в основном предлагаются в профессиональном секторе, однако в последние годы появляются компактные системы, доступные хорошо обеспеченным любителям и малому бизнесу. Самый яркий пример — 3D-принтеры семейства Lisa, выпускаемые польской компанией Sinterit.
Основным материалом служат разные виды полиамидов (нейлонов). Нейлоны — недорогие, но при этом высокофункциональные полимеры с отличной прочностью и износостойкостью. Список доступных расходных материалов постепенно расширяется и уже включает термопластичный полиуретан, полипропилен и другие термопласты, а также композиционные угле- и стеклонаполненные материалы, как правило на основе тех же полиамидов.
2. Расходные материалы
Выбор 3D-принтера должен зависеть от требуемых расходных материалов. Выбор материалов, в свою очередь, должен зависеть от поставленных задач. Если речь идет о высокоточном прототипировании без необходимости в создании функциональных изделий, отличным выбором будет стереолитография. Если, наоборот, нужны высокофункциональные изделия, стоит обратиться к селективному лазерному спеканию, хотя эта технология тоже хорошо подходит для прототипирования. С FDM 3D-печатью все сложнее, так как это наиболее универсальная технология, а выбор материалов огромен.
Конструкция FDM 3D-принтеров, как правило, заточена под конкретный диапазон расходных материалов. Например, самые простые системы предназначены для работы с полилактидом (PLA, ПЛА). Это довольно легкоплавкий, но при этом нетоксичный (в чистом виде) материал с очень низкой усадкой. Как результат, для работы с ПЛА не требуется ни подогреваемый столик, на термостатированная камера, ни высокотемпературный экструдер. Недооценивать этот полимер не стоит: ПЛА широко применяется в прототипировании и даже находит промышленное применение, например в 3D-печати выжигаемых мастер-моделей для прецизионного литья.
Другие полимеры, такие как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС, ABS) или полиамиды (нейлоны), требуют уже более продвинутого оборудования. Из-за высокой термоусадки велика вероятность деформаций, растрескивания или даже отрыва изделий во время 3D-печати. Для борьбы с преждевременной усадкой необходимы подогреваемые столики и закрытые камеры, помогающие повышать адгезию с рабочей поверхностью и поддерживать повышенную фоновую температуру.
Как печатать PLA и ABS:
Еще более способные полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, PEEK), полиэфиримид, (ПЭИ, PEI, Ultem) или полисульфон (ПСФ, PSU), попадают в категорию тугоплавких конструкционных термопластов. Для работы с такими материалами нужны уже высокотемпературные хотэнды, нередко с жидкостным охлаждением, развивающие как минимум 400°С. Более того, тот же PEEK — это полукристаллический полимер, требующий аккуратного охлаждения после экструзии, дабы формировалась сбалансированная микроструктура. Если все сделать правильно, получаемые изделия могут конкурировать по прочности с аналогами из алюминиевых сплавов, но такая степень контроля требует использования термостатированных рабочих камер, желательно с активной регулировкой фоновой температуры, что дополнительно повышает сложность и стоимость оборудования.
3D-печать PEEK на 3D-принтерах Creatbot F160 и Imprinta Hercules G2:
Композиты — отдельная история. Физико-механические свойства полимеров — от недорогого ABS до продвинутого PEEK — можно дополнительно повышать армирующими наполнителями, например стекло- или углеволоконными. Это одно из наиболее активно развивающихся направлений профессиональной 3D-печати, но сопряженное с отдельными трудностями. Здесь помимо температурных свойств базовых полимеров необходимо еще и учитывать повышенную абразивность волоконных добавок. Для работы с такими материалами требуются износостойкие подающие механизмы и сопла — шестерни экструдеров из закаленной стали и сопла из закаленной стали, карбида вольфрама, либо искусственных рубинов, сапфиров или даже алмазов. Такие сопла дороги, но высокая износостойкость того стоит, если речь идет о достаточно больших объемах 3D-печати композитами. Дорогой 3D-принтер при этом нужен далеко не всегда: существуют весьма впечатляющие композиты с малой усадкой и невысокими температурами экструзии, например стеклонаполненный ПЭТГ (PETG).
Мораль проста: сначала определитесь с материалами, которыми вы собираетесь печатать, а затем выбирайте подходящее оборудование. Если вам хватит полилактида, нет смысла тратить дополнительные средства на сложные аддитивные системы с высокотемпературными хотэндами и термостатированными камерами. С другой стороны, если требуется 3D-печать продвинутыми полимерами, лучше сразу вложиться в подходящий 3D-принтер, чем тратить деньги и время на брак и неизбежную модернизацию без гарантий успеха.
3. Рабочий объем 3D-принтера
Больше — не всегда лучше. Как и с расходными материалами, постарайтесь заранее определиться с размером изделий и объемами производства. В принципе, на большом 3D-принтере всегда можно напечатать небольшую деталь, но стоит иметь в виду, что крупноформатное оборудование стоит дороже, к тому же неэффективное использование рабочего объема приведет к дополнительным трудностям с расходными материалами.
Например, в тех же SLS 3D-принтерах ввиду специфики технологии рабочий объем в процессе печати заполняется по всей площади, вне зависимости от размера и количества печатаемых изделий. Неспеченный порошок можно использовать заново, но чем больше его останется, тем больше времени придется потратить на просеивание. Примерно такая же история и со стереолитографическими 3D-принтерами: далеко не все аппараты оснащены системами автоматической подачи фотополимера, а значит при печати одного маленького изделия на большом аппарате придется заливать довольно много смолы. Куда практичнее и экономичнее заранее определиться с размерами деталей, а также объемами партий, если речь идет о мелкосерийном производстве, а затем уже определяться с полезным объемом самого 3D-принтера.
Стоит также иметь в виду, что во многих случаях при недостатке рабочего объема FDM 3D-принтеров цифровые модели можно разбивать и печатать по частям с последующей сборкой и/или склеиванием. Здесь стоит учитывать назначение изделий и используемые материалы.
Далеко не все полимеры хорошо поддаются склеиванию, например те же нейлоны или дешевый и очень популярный полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ, PETG). Кроме того, склеивание может ослабить прочность конструкции в целом, так что при производстве нагруженных деталей склеивания лучше избегать и печатать изделия целиком. Как минимум, необходимо подбирать правильные клеи. Хороший пример — 3D-печать прокладок или амортизаторов эластомерными материалами: использование хрупких клеев, например цианоакрилатных, неизбежно приведет к разрушению соединений в деформируемых деталях.
Если же речь идет о прототипировании или художественном моделировании, прочность вряд ли будет играть главную роль, а значит можно обойтись небольшим, недорогим 3D-принтером и тюбиком клея, особенно если подразумевается дальнейшая постобработка: шлифование, грунтование и покраска помогут сгладить и скрыть дефекты в местах склейки.
4. Количество экструдеров
Большинство современных FDM 3D-принтеров оснащены одним или двумя экструдерами. Бывает и больше, хотя ценность таких систем сомнительна: основная идея в 3D-печати множеством материалов или цветов одновременно, но эта задача более эффективно решается системами автоматической смены филамента. В основном же используются либо одноэкструдерные машины, либо двухэкструдерные.
Два экструдера открывают возможность 3D-печати опорных структур специализированными материалами. Здесь необходимо пояснить, что FDM 3D-принтеры способны печатать наклонные структуры только до определенного предела, порядка 45°. Если углы наклона слишком велики, укладываемый материал будет сползать. Для борьбы с этим явлением есть два подхода. Первый предусматривает разделение сложных деталей на части более простой формы с последующей склейкой, что не всегда желательно. Второй заключается в использовании опорных структур или «поддержек». Проблема в том, что поддержки после завершения 3D-печати необходимо отделять. С одной стороны, это дополнительная трата времени и филамента, с другой — на поверхностях деталей могут остаться дефекты в местах соединения с опорными структурами.
Есть более эффективное решение — растворимые поддержки. Разные полимеры могут по разному взаимодействовать с растворителями. Например, D-лимонен не действует на АБС, зато хорошо растворяет полистирол. Соответственно, можно напечатать модель из АБС, используя второй экструдер для построения опор полистиролом, а затем выдержать изделие в D-лимонене. Полистирол растворится, и останется лишь нужная деталь с ровными поверхностями.
Промывка модели с водорастворимыми опорами из поливинилового спирта
Для таких случаев даже разрабатываются специальные опорные филаменты, например из водорастворимого поливинилового спирта (ПВС, PVA). Как подсказывает название, для удаления поддержек из этого материала достаточно простой теплой воды.
Подробнее о 3D-печати с водорастворимыми поддержками:
Многие производителей FDM 3D-принтеров предлагают одни и те же модели оборудования в разном исполнении — с одним или двумя экструдерами. Само собой, двухэкструдерные модели стоят дороже, зато экономят немало труда и нервов при 3D-печати изделий сложной формы. Выбирайте в зависимости от насущных задач.
5. Кинематика
Этот нюанс опять-таки касается FDM 3D-принтеров. Разные 3D-принтеры используют разные кинематические схемы, от которых зависит метод позиционирования головки и столика. Как правило, самые дешевые 3D-принтеры полагаются на кинематику в стиле Prusa — с позиционированием головки по осям X и Z и столика по оси Y. Это не самая жесткая схема, зато довольно простая и надежная, а потому пользующаяся широкой популярностью.
Обзор российского 3D-принтера 3DiY P3 Steel BizonDual Pro 300 c кинематикой Prusa:
Другой популярный выбор — родственные между собой кинематики H-Bot и CoreXY с позиционированием головки по осям X и Y, а столика — по оси Z. Такие варианты собираются на более прочных и жестких шасси, позволяя развивать более высокие ускорения.
Обзор доступного 3D-принтера Picaso Designer Classic c кинематикой CoreXY:
Отдельная интересная категория — дельта-принтеры, разновидность дельта-роботов. Здесь используются неподвижные столики, а позиция головки определяется по трем вертикальным направляющим. Такие 3D-принтеры славятся высокой скоростью, но довольно сложны в настройке.
Даже 3D-принтеры с одной и той же кинематической схемой могут иметь серьезные конструктивные отличия, влияющие на скорость и точность. Например, в одних системах могут использоваться роликовые направляющие, а в других — рельсовые. Последние более дороги, зато более надежны, точны и долговечны.
Старайтесь выбирать кинематику, исходя из бюджета и потребностей. 3D-принтеры а-ля Prusa — неплохой выбор для любителей, особенно начинающих. 3D-принтеры с CoreXY — зачастую более серьезные системы, подходящие для опытных энтузиастов и профессионалов, особенно варианты с рельсовыми направляющими, двумя экструдерами и закрытыми корпусами для более точного термоконтроля.
6. Типы экструдеров
Экструдеры FDM 3D-принтеров можно условно разделить на две категории по методам подачи филаментов — боуденовские и директ. Название первых происходит от «трубки Боудена» — фторопластовой трубки, соединяющей механизм подачи с головкой и служащей каналом для подачи филамента. В таких системах механизм подачи устанавливается отдельно от головки, как правило на раме 3D-принтера. Это позволяет снижать массу непосредственно головки с хотэндом, то есть подвижной части, а значит снижать вибрации и повышать ускорения и скорость позиционирования.
Обзор 3D-принтера Ultimaker S5 с боуденовскими экструдерами:
В директ-экструдерах механизмы подачи и хотэнды образуют единую сборку. Это повышает массу головки, зато облегчает работу с эластичными материалами и обеспечивает более высокую точность подачи расплава и ретракта.
Обзор высокотемпературного 3D-принтера Picaso Designer X Pro S2 с директ-экструдерами:
В общем и целом, директ-экструдеры считаются более универсальными, хотя некоторые 3D-принтеры до сих пор по умолчанию поставляются с боуденовскими экструдерами. К счастью, многие системы можно самостоятельно переоборудовать с боуденовской подачи на директ или наоборот.
Все вышеперечисленное — лишь основные моменты, далеко не до конца раскрывающие все особенности, возможности и нюансы. Самый надежный способ получить исчерпывающую информацию — проконсультироваться у наших специалистов.
Свяжитесь с нами, и мы будем рады помочь с подбором 3D-принтеров и расходных материалов, оптимально подходящих под ваши задачи и бюджет.
Приобрести ЧПУ или 3Д технику и расходные материалы, задать свой вопрос, или сделать предложение, вы можете, связавшись с нами:
$$
