Годом появления 3D-печати считается 1981. Именно тогда японский доктор Хидео Кодама собрал одну из первых рабочих машин, с помощью которой можно было многократно воспроизводить трехмерные модели из полимерной смолы, отвердевающей под действием ультрафиолета. За минувшие 40 лет технология сделала не просто шаг, а настоящий скачок вперед и вы итоге стала доступна массам. Сейчас это вполне самостоятельное направление, которое успешно интегрировалось во многие сферы жизни. В частности, появились производительные и высокоточные промышленные 3D-принтеры, которые не только обеспечивают высочайшее качество печати, отличную повторяемость изделий, но и решают целый ряд производственных проблем.
Определение
Промышленные 3Д-принтеры – это высокопроизводительные устройства, которые предназначены для высоконагруженной работы, включая, мелкосерийное производство деталей и изделий сложной формы на основе заранее подготовленных компьютерных моделей. При этом техника печати и ее предельные возможности напрямую зависят от используемой технологии.
От бытовых принтеров, рассчитанных, в первую очередь, на энтузиастов, промышленные модели отличаются:
- автоматизированном процессом печати, не требующим постоянного контроля со стороны оператора,
- высокой точностью изготавливаемых деталей – толщина слоя при использовании самых технологичных установок может достигать 10 микрон, поэтому поверхность деталей получается гладкой, без привычной для бытовых моделей ступенчатой структуры; детали не требуют дополнительной обработки,
- увеличенной областью печати – до 1200х1200 мм, тогда как у бытовых моделей она, в среднем, не превышает 130х130 мм,
- использованием материалов промышленного класса, например, высокотемпературными пластиками PEEK или ULTEM, керамикой, металлом и другими,
- повышенной стабильностью печати с минимальным временем простоя.
Технологии печати и их использование
Технология печати определяет два ключевых момента:
- общий принцип работы оборудования,
- используемые материалы.
В 3D-принтерах промышленного класса чаще всего используются следующие технологии.
SLA
SLA (Laser Stereolithography, лазерная стереолитография) – разработана компанией 3D Systems. В качестве сырье используется жидка фотополимерная смола. При печати на поверхности базовой платформы построения, размещенной над емкостью с фотополимером, поочередно выводятся поперечные сечения 3Д-модели. Для вывода и отверждения слоя производится засветка УФ-лазерным лучом, положение которого контролируется вращающимися зеркалами. После отверждения слоя готовая часть изделия вместе с платформой приподнимается на толщину слоя и процесс повторяется с новым сечением.
За счет малых размеров лазерного луча, принтеры, работающие по принципу SLA, позволяют печатать с толщиной слоя до 0,025 мм. Чем меньше толщина, тем более качественной и гладкой получается поверхность изделия. Возможностей этих машин достаточно, чтобы их можно было использовать практически во всех современных отраслях: от машиностроения до моделирования ювелирных украшений и бижутерии. Особенно активно технология применяется для производства форм для серийного литья деталей из металлов или полимеров.
Условными недостатками можно считать высокую стоимость оборудования из-за необходимости использовать сложные, высокоточные лазерные установки с зеркалами, и относительно невысокая скорость печати, поскольку изображение вырисовывается лазером постепенно.
DLP
DLP (Digital Light Processing, цифровая обработка светом) – во многом повторяет принципы лазерной стереолитографии, но засветку материала осуществляет DLP-проектор, выводящий на основу послойное изображение. Изображение всего слоя выводится за один раз. Однако для качественной засветки необходимо дополнительное время, поэтому процесс печати идет не плавно, а дискретно.
Считается, что DLP обеспечивает меньшее разрешение, однако передовые установки способны работать с толщиной слоя до 0,015 микрон, однако повышение точности существенно сказывается на стоимости 3Д-принтера.
Второй весомый недостаток, который также справедлив и для SLA-печати – высокая стоимость расходных материалов. Литр полимерной смолы стоит примерно вдвое дороже килограмма пластиковой нити. Однако с этим недостатком приходится мириться, если точность и высокое качество поверхности являются основной целью, поскольку технологии печати нитью не позволяют добиться аналогичных результатов.
Поскольку возможности DLP и SLA практически идентичны, сферы применения у них также одинаковые: это различные направления промышленности, в том числе, ювелирное дело, стоматология и различные направления дизайна.
FDM
FDM (Fused Deposition Modelling, моделирование методом наплавления) существенно отличается от вышеописанных технологий, поскольку вместо жидкого фотополимера использует для печати твердые нити пластика. Нити подаются на стол, служащий основой для отпечатываемых изделий через разогретое до температуры плавления пластика металлическое сопло экструдера. Происходит так называемая экструзия материала. Сопло расположено на подвижной печатающей головке, которая своими движениям повторяет контуры и внутреннее заполнение детали, постепенно поднимаясь по оси Z. При этом за счет небольшой толщины при нанесении следующего слоя экструдер частично расплавляет предыдущий, тем самым обеспечивая хорошую адгезию. Температура нагрева и общая скорость печати зависят от используемого полимера. Наиболее активно используется ABS и PLA – это самые простые и доступные виды пластика, которые также эксплуатируются энтузиастами. Для отдельных задач также могут применяться так называемые инженерные пластики (PETG, TPU, PPE и другие) и высокопрочные (PEEK и PEI).
В сравнении с SLA и DPL точность FDM печати ввиду толщины выдаваемой экструдером полимерной нити, существенно меньше, а толщина слоя у самых технологичных машин достигает всего лишь 0,05 мм. Большинство принтеров использует толщину слоя около 0,15-0,2 мм, как наилучшее соотношение качества и скорости. Однако в этом случае слои на модели становятся отчетливо различимыми, а на поверхности появляются ступени. В отдельных случаях, например при прототипировании, низким качеством поверхности можно пренебречь, но при необходимости изделие может подвергаться постобработке, например, шлифовке, полировке или помещению в ацетоновую баню для сглаживания глянцевой поверхности.
Не очень высокая точность печати и является ключевым минусом технологии FDM, который ограничивает ее использование. Наиболее активно она применяется при прототипировании и пошаговой модернизации деталей, а также в мелкосерийном производстве изделий различного назначения. Также возможные варианты использования ограничиваются свойствами сырья. Например, некоторые пластики с высокой огнеупорностью могут эксплуатироваться даже в аэрокосмической отрасли.
При этом у технологии есть и список очевидных преимуществ, среди которых высокая скорость печати, широкий спектр материалов и невысокая цена оборудования и получаемых изделий.
FFF
FFF (Fused Filament Fabrication, послойное наплавление пластика) – прямая альтернатива FDM, появившаяся в результате юридических проблем. Дело в том, что FDM была разработана компаний Stratasys в 1989 году, а срок действия патентов истек только в 2009. Однако в 2005 рядом энтузиастов была разработана технология FFF, в целом повторяющая ее, но распространяемая свободно. Именно благодаря последнему она получила предельно широкое распространение, причем не только среди энтузиастов, на которых была рассчитана изначально, но и на небольших предприятиях. Ключевое отличие от исходной в том, что в принтере отсутствует нагревательная камера, окружающая печатающую головку и стол, то есть, устройства получили открытую конструкцию, поэтому оборудование удалось удешевить. И это тоже сыграло свою роль в итоговой популярности.
Однако отказ от принудительного нагрева и искусственной вентиляции окружающей среды существенно сказался на качестве печати: в момент экструзии пластик попадает в охлажденную среду, из-за чего в готовых изделиях образуются внутренние напряжения, которые в итоге часто приводят к их деформациям. Этот момент ухудшает точность и негативно сказывается на повторяемости печати. По этой причине на крупных производствах FFF-принтеры не используются.
Резюмируем
Перечисленные технологии – далеко не единственные. Наряду с ними профессионалами и энтузиастами также используется MJM, PolyJet, SLS, SLM и другие методы 3D-печати. При этом сама печать и принтеры к сегодняшнему дню окончательно перешла из экспериментального направления в число полноценных инструментов, которые могут обеспечить настолько высокое качество изделий и стабильность работы, чтобы их можно было эксплуатировать на крупных производственных предприятиях.
Кроме того, она обладает достаточной гибкостью и универсальностью, чтобы ей можно было легко найти применение в предельно широком перечне отраслей и направлений промышленности. Например, в прототипировании и макетировании, производстве оснастки, форм для литья, экспериментальных проектов и производстве малых партий изделий, производстве хирургических шаблонов, экзопротезировании, стоматологии и прочем. А с учетом постепенно расширяющегося списка возможных материалов, со 100% уверенностью можно утверждать, что за промышленными 3D-принтерами будущее.