Добрый день, уважаемые коллеги!

В связи с частыми запросами на введение в технологию 3D печати и возможность самостоятельного применения 3D принтеров составляю данную статью с краткой информацией о том, что надо знать о первичном запуске 3D печати на собственной площадке. В качестве площадки я рассмотрю как квартиру, офисное помещение, гараж, так и специально отведенные участки.

На данный момент существует очень много различных технологий 3D печати. На момент знакомства с технологий я рекомендую начать с изучения 4-х основных технологий: FDM (FFF), LCD (DLP), SLS, SLM.

В данной статье по большей части сделаю упор на первые две, потому что оборудование для изготовления изделий по данным технологиям относительно доступное к покупке. Остальные две буду описывать исходя из нацеливания на будущее развитие вашей компании и как метод изготовления изделий с большей точностью, прочностью, износостойкостью. Узнать больше о технологиях 3D печати можно на странице.

Содержание:

1. 3D печати пластиком
2. Фактура поверхности 3D печати
3. Оборудование для FDM печати
4. 3D печать композитами
5. Усадка материала
6. 3D печать реактопластами
7. 3D печать фотополимерной смолой
8. Оборудование для 3D печати УФ отверждаемой смолой
9. 3D печать полиамидами (порошок)
10. Оборудование для SLS печати
11. 3D печать металлом (порошок)
12. Оборудование для SLM печати
13. Работа с 3D моделями. Подготовка к 3D печати
14. Программное обеспечение
15. Место установки оборудования
16. Эксплуатация и инструмент
17. Итоги

3D печать пластиком

3D печать пластмассами и композитными материалами подразумевает использование FDM технологии. Послойное нанесение материала посредством экструдирования полимера через фильеру (сопло) и скрепление последующего слоя с предыдущим посредством адгезии.

На данный момент существует огромное количество производителей расходных материалов для 3D принтеров, работающих по технологии FDM. Главное, что надо понимать, в качестве сырья используется нить полимера, основными диаметрами 1.75 мм или 2.85 мм. Пример катушек расходного материала можно найти по ссылке.

Выбор химии материала (ABS, PLA, PET-G и другие) в основном сводится к химическим и физическим свойствам будущего изделия на выходе. Как правило производители описывают свойства материала в паспорте изделия или в рекламных буклетах с описанием свойств материала. Например, наш материал Studia3D Filament PET-G V0 не поддерживает горение и имеет сертификат на пожарную безопасность.

Фактура поверхности 3D печати

Отдельным фактором, определяющим выбор расходного материала является внешний вид изделия после изготовления. По аналогии с фрезеровкой, которая оставляет следы от фрезы на поверхности изделия, 3D печать тоже имеет свою фактуру поверхности, которая напоминает ступенчатую структуру.

Разные материалы имеют свою фактуру поверхности. Особенно сильно поверхность отличается у композитных материалов, которые скрывают слоистость за счет наполнения полимера фракцией. “Ступенчатость” или так называемая “слоистость” может отличаться не только в зависимости от выбранного материала, но и от выбора технологии 3D печати, а также в зависимости от выбранных режимов 3D печати (о них поговорим позже).

Фактура поверхности 3D печати в зависимости от выбранной технологии.

FDM технология LCD/DLP технология SLS технология SLM технология

На изображениях выше видно, что FDM технология имеет ярко выраженную ступенчатую структуру, тогда как LCD/DLP технология содержит настолько мелкие слои, что при печати прозрачным материалом деталь имеет высокую способность пропускать свет. На третьем изображении представлено изделие из полиамида, изготовленное с применением SLS технологии. Фактура поверхности напоминает спрессованную муку, при этом сами детали из полиамида имеют очень серьезную прочность. На четвертом изображении изделие изготовленное с применением SLM технологии из металлического порошка. Поверхность напоминает электроэрозию, но с более выраженной шероховатостью. Все методы 3D печати могут подвергаться дополнительно обработке. Шлифовка, пескоструйная обработка, полировка, дробеструйная обработка и т.п. Иногда конструкторы делают припуск на дополнительную механическую обработку.

Примеры применения FDM технологии:

Пример 1: Необходимо напечатать изделие, опираясь на предварительный расчет на прочность в CAD программе. Предел прочности материала должен быть не менее 25 МПа на разрыв. То есть изделие должно иметь равноценную прочность по всем направлениям по аналогии с модельным (литым) пластиком. Из статьи про прочность изделий, распечатанных на 3D принтере мы знаем, что детали имеют не равноценную прочность по всем направлениям. Направление, параллельное укладки слоев может выдерживать нагрузку больше, чем направление поперек укладки слоев. Поэтому в нашем случае необходимо подобрать материал, который будет иметь предел прочности поперек укладки слоев выше, чем требуемый предел прочности. Конкретно в данной задаче может быть использован PET-G пластик. Этот полимер имеет очень хорошую спекаемость между слоями. Адгезия между слоями настолько высокая, что разница в прочности на разрыв вдоль укладки и поперек укладки нитей минимальна. При разрушении поверхность разлома распространяется хаотично, а не вдоль укладки нити, как, например, у ABS пластика.

Многие производители материалов для 3D печати указывают подобные параметры в спецификации к материалу, поэтому предварительные испытания производить не нужно.

Пример 2: Необходимо напечатать изделие, которое будет дополнительно обработано механически с целью нанесения лакокрасочного покрытия. Для такой задачи необходимо выбирать материал, который будет хорошо поддаваться механической обработке, потому что перед покраской всегда существует процесс вышкуривания и полировки поверхности.

Как правило для таких задач используется ABS пластик, однако, стоит учесть, что ABS пластиком проще печатать на 3D принтерах закрытого типа. Далее разберем этот момент отдельно.

Пример 3: Необходимо напечатать ножки для квадрокоптера. Важно понимать, что ножки для квадрокоптера испытывают относительно большие ударные нагрузки, потому как находятся в ударе при посадке квадрокоптера, и посадка не всегда мягкая. Поэтому мы должны подобрать материал, который будет устойчив к регулярным ударным нагрузкам.

В своей практике для решения данной задачи мы использовали HIPS пластик.

Пример 4: Необходимо напечатать мастер-модель для снятия формы для литья металлическими расплавами. Для решения такой задачи необходим материал, который обеспечит хорошую выжигаемость с минимальной зольностью.

Хорошим примером такого материала является воск.

Как видите разные задачи решает применение различных материалов. При этом оборудование для изготовления изделий остается одним и тем же. Исключением могут являться отдельные узлы 3D принтеров, которые способны или не способны работать с теми или иными полимерами, поэтому при покупке оборудования всегда необходимо уточнить у поставщика возможность печати теми или иными термопластиками или возможность модернизации для расширения списка поддерживаемых материалов.

Больше примеров печати пластиком можно увидеть на странице.

Оборудование для FDM печати. 

Одним из пунктов, который важно учитывать при покупке FDM принтера, является тип камеры 3D печати. Существуют принтеры с открытым и закрытым типом камеры.

Камера закрытого типа Камера открытого типа

Большое заблуждение большинства новичков заключается в том, что закрытый тип камеры 3D принтера обеспечивает бОльшую жесткость конструкции. На самом деле закрытый тип камеры 3D принтера обеспечивает собственный микро климат внутри камеры и отсутствие сквозняков, что позволяет работать с пластиками, имеющими сильную усадку. А промышленные 3D принтеры имеют даже дополнительный нагрев воздуха внутри камеры. Прежде чем покупать 3D принтер необходимо убедиться, что материал, который планируется использоваться на этом 3D принтере, не имеет усадку, а если имеет, то рассмотреть вариант покупки принтера с закрытым типом камеры.

В своей практике мы выработали у себя подход работы на 3D принтерах открытого типа, поскольку они, как правило, дешевле. А практически на любой усаживающийся термопластик есть либо аналогичный без усадки, либо композитный материал с минимальными усадками, позволяющими работать на 3D принтере открытого типа. Типичными примерами 3D принтеров открытого типа являются получившие широкое распространение в мире Creality3D Ender 3, AnyCubic Chiron и другие. Стоимость таких принтеров, как правило, не превышает 100 тысяч рублей. Такие машины не прихотливы в эксплуатации и легки в модернизации. Примером 3D принтера закрытого типа является Picaso Designer XL PRO, Raise3D Pro2 Series и др. Стоимость таких 3D принтеров значительно выше, чем у открытых.

3D печать композитами

3D печать композитами по технологии FDM подразумевает использование точно такого же оборудования, как описано выше. Как правило, для осуществления 3D печати композитными материалами требуется использование специального рабочего инструмента. Например стальное сопло вместо латунного. Или модернизированной головки экструдера, которая сможет перерабатывать композитный материал.

Основное отличие, это использование в качестве сырья материала, в основе которого лежит термопластик, наполненный конкретной фракцией. При этом оборудование в основе (рама, кинематика) остается неизменным.

Пример 5: Некоторые 3D принтеры имеют возможность печати несколькими материалами одновременно. Одно из задач, которую нам необходимо было решить, являлось создание изделия с внешней оболочкой, не проводящей ток, и внутренней основой, которая ток проводить должна.

Для печати внешней оболочки был использован обычный ABS пластик, а для токопроводящей базы был использован композит с токопроводящей фракцией. Еще такие материалы можно применять для “впечатывания” проводимых дорожек прямо в деталь.

Пример 6: Композитные материалы также могут быть использованы для изготовления изделий с повышенными свойствами по прочности или износостойкости.

Carbon Fiber Glass Fiber

К таким типом композитов, как правило, относится материалы с наполнением микроволокнами карбона или стекловолокна.

Пример 7: Существуют композитные материалы, где бОльшую долю наполнения занимают микрофракция металлического порошка, который связан полимерной основой. Мы можем напечатать изделия из такого композитного материала, а после выжечь весь полимер в нагревательной печи. При этом металлический порошок спечется между собой и получится металлическое изделие с определенной долей пористости.

Пример 8: По аналогии с металлическим композитным материалом существует композитные материалы, в качестве наполнения у которых используется каменная пыль. Такие композиты очень хорошо обрабатываются при подготовке к покраске, даже лучше, чем ABS, при этом имеют хороший вес.

Пример 9: Существуют материалы со специальными добавками, которые обеспечивают уничтожение микробов на поверхности изделий.

Пример такого материала является биоцидный материал от компании REC.

Усадка материала

В продолжение темы по выбору типа камеры у 3D принтера, необходимо учитывать тот факт, что композитные материалы очень часто используют как альтернативу “чистому” полимеру из-за отсутствия усадки у композита. Например, ABS GF4 (ABS пластик, на 4% наполненный микроволокнами стекла) является отличным аналогом обычного ABS пластика. При этом на выходе изделие имеет повышенные прочностные характеристики. По этой причине для себя мы выработали концепцию использования дешевых 3D принтеров с дорогими материалами, а не наоборот. Дорогие 3D принтеры могут быть использованы только в супер исключительных случаях, таких как, например, использования реактопластов.

Пример уcадки материала можно увидеть на изображении ниже.

Выбрать более дорогой принтер или более дорогой материал, каждый выбирает для себя сам. Мы же преследуем принцип: дешевый принтер, дорогой материал. В конечном счете даже в этом примере видно, что на выходе мы получим изделие с лучшими характеристиками по прочности, износостойкость и т.п.

3D печать реактопластами

Ректопласты – пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Оборудование для 3D печати реактопластами принципиально ничем не отличается от типичных FDM 3D принтеров с закрытой камерой. Однако, реактопласты требуют достаточно сильного нагрева камеры. Сильный нагрев камеры подразумевает большое теплорасширение большого количества узлов 3D принтера, что может привести к заклиниванию движимых частей. Поэтому для 3D печати реактопластами используются 3D принтеры промышленного типа. Одной из компания, которая производит такие 3D принтеры, является Stratasys. Стоимость подобного оборудования измеряется в десятках тысяч долларов.

3D печать фотополимерной смолой

3D печать фотополимерной смолой имеет шероховатость поверхности, которая на порядок выше по качеству, чем у FDM технологии. изделие на выходе требует минимальной обработки, а чаще всего не требует ее вообще.

Остальные отличия от FDM технологии заключаются в принципе построения, стоимости сырья (в два раза выше) и необходимости эксплуатации в хорошо проветриваемом помещении из-за сильно неприятного запаха материала. Основным фактором при выборе 3D принтеров такого типа является качество изделий на выходе.

Оборудование для 3D печати УФ-отверждаемой смолой

3D печать фотополимерной смолой осуществляется на 3D принтерах, работающих по LCD, DLP, SLA технологиям.

LCD DLP SLA

В качестве сырья для данных 3D принтеров используется УФ-отверждаемая смола, которая представляет из себя вязкую густую цветную жидкость. Стоимость таких 3D принтеров варьируется от 300 до 2 млн долларов. Стоимость зависит от размера области построения и наличия дополнительных автоматических систем и датчиков (автокалибровка, автоподача материала и т.п.) При выборе 3D принтеров такого типа в первую очередь необходимо смотреть на разрешаю способность источника излучения. На первой ступени находятся LCD 3D принтеры, у таких принтеров необходимо обращать внимание на расширение LCD матрицы. Чем выше расширение, тем выше точность построения. На второй ступени находятся DLP 3D принтеры, при этом необходимо уточнять срок службы проектора. Очень часто срок службы меньше, чем у LCD матрицы, но печать немного точнее. Самый точный среди этих технологий является SLA технология. При этом стоимость SLA 3D принтеров выше, чем у ранее перечисленных. Точно также, как и в случае с термопластиками и композитными материалами, на рынке существует огромное количество предложений расходных материалов для фотополимерных 3D принтеров. Материалы имеют различные химические, механические свойства. При выборе расходного материала для фотополимерного 3D принтера необходимо учитывать длину засветки, при которой кристаллизуется смола.

3D печать полиамидами (порошок)

3D печать полиамидом по технологии SLS заключается в спекании полиамидного порошка пучком лазера. Детали из полиамида получаются достаточно прочные и имеют хорошее качество поверхности.

По аналогии с термопластиками и композитными материалами в SLS технологии могут применяться композитные порошки. Технология печати достаточно дорогая из-за большой стоимости расходных материалов и высокой стоимости оборудования.

Оборудование для SLS печати

Оборудование для 3D печати по SLS технологии по большей части является промышленным. Размеры такого оборудования как правило занимают целую комнату, а иногда и целый цех.

При этом есть 3D принтеры достаточно компактного размера, но стоимость их все равно высока, поэтому отдельно уделать внимание данному типу оборудования в этой статье мы не будем.

3D печать металлом (порошок)

3D печать металлом является уникальной по своей сути технологией изготовления изделий. Детали изготавливаются по технологии SLM.  3D печать металлом дает широкий выбор вариаций при создании формы изделия.

Изделия по структуре являются идеальным примером равномерной мелкозернистой структуры, что положительно сказывается на механических свойствах деталей.

Оборудование для SLM печати

Оборудование представляет из себя специальные промышленные установки, для запуска требуются специализированные цеха, которые включают в себя не только сам 3D принтер, но и дополнительное оборудование для процесса постобработки, измерения и хранения расходных материалов. Стоимость такого оборудования от 1 млн долларов.

Работа с 3D моделями. Подготовка к 3D печати

Алгоритмы работы 3D принтера задаются через 3D модель путем создания управляющей программы для 3D принтера. Корректность алгоритма зависит в первую очередь от качества подготовки модели. Что такое 3D модель вы можете прочитать в отдельной статье. Важно понимать, что 3D модель должна соответствовать специальным требованиям. В случае, если не обратить на эти требования внимание, могут возникать критические ошибки в 3D печати разного характера.

Вторым очень важным фактором в проектировании 3D моделей для 3D печати является учитывание специальных поддерживающих (опорных) структур, технологически важных в процессе создания изделия методом 3D печати. Идеальным вариантом конструирования изделий для 3D принтеров является форма, не требующая поддерживающих структур. Подробнее о поддерживающих структурах вы можете прочитать в статье.

Программное обеспечение

Существует два основных типа программ для работы с 3D принтерами: для анализа 3D моделей и для подготовки управляющей программы (слайсеры). Основные программы для анализа 3D моделей: AutoDesk Netfabb, Materialize Magic, Autodesk MeshMixer.

Программное обеспечение для подготовки управляющей программы для 3D принтера делится по технологиям 3D печати. Очень часто производители оборудования разрабатывают собственное ПО для своих 3D принтеров. При этом не всегда это ПО является лучшим выбором. Поэтому приведем список универсальных программ для большинства случаев: Simplify3D, CURA, читубокс, Lichy Slicer, Slick 3R, Prusa Slicer.

Очень часто качество изготовляемого изделия зависит от корректности выбора режимов 3D печати путем изменения параметров в управляющей программе. Основные параметры, на которые необходимо обратить внимание: процент заполнения, высота слоя, диаметр сопла. Описание всех типов параметров вы можете найти в статье. В качестве примера рекомендую ознакомиться со статьей “Как связаны высота слоя и качество 3D печати?“.

Место установки оборудования

Промышленные 3D принтеры требуют специализированных производственных площадок, поэтому речи о них в данной статье не пойдет. В остальных случаях выбор месторасположения принтера в первую очередь зависит от используемых расходных материалов. Любой расходный материал для 3D принтера имеет выборы в воздух, которым вы дышите, поэтому место установки будет в первую очередь зависеть от того, вредные это выбросы или нет. Существуют специальные линейки материалов, с которыми можно работать в прямом контакте, некоторые даже имеют сертификат на применение в пищевой промышленности. Во всех остальных случаях необходимо учитывать хорошо проветриваемое помещение, а лучше устанавливать специализированные вытяжки. Вторым очень важным фактором при выборе места установки 3D принтера является уровень шума, испускаемый в основном шаговыми электродвигателями 3D принтеров. Уточняйте этот параметр у поставщика, а лучше предварительно посетить шоурум. Если вы собираетесь устанавливать 3D принтер дома, то лучше всего приобрести 3D принтер с минимальным уровнем шума. В таком случае вы будете слышать только шум от вентиляторов, сопоставимый с шумом персональных компьютеров. Во всех остальных случаях лучше использовать отдельные помещения с хорошей шумоизоляцией.

Эксплуатация и инструмент

В процессе эксплуатация 3D принтера потребуется специализированный инструмент, которым лучше запастись заранее. Список основных инструментов: латексные перчатки, кусачки, пассатижи, пинцет, емкости для мусора, промывки, набор шестигранников и шестигранных ключей, иголки для прочистки сопел. Как и любое оборудование,  3D принтер имеет расходные материалы, которые тоже лучше всегда иметь в наличии для бесперебойной работы оборудования. Список основных расходных запчастей: сопла, ремни, платформа, FEP-пленка, матрица, нагревательный блок, термистер, термобарьер, вентиляторы, набор проводки экструдера и подогреваемой платформы. В случае модернизации 3D принтеров данный список может быть расширен.

Итоги

Понятно, что в тексте одной статьи не получается донести все тонкости работы с теми или иными материалами при работе с той или иной технологией. Не получается передать весь опыт, который мы накапливали годами. Поэтому, если у вас остались вопросы, прошу задать их в комментариях. Мы постараемся ответить на все возможные вопросы, исходя из нашего опыта применения 3D технологий на собственном производстве.