Объёмная задача

В статье «3D-печать: бизнес или развлечение?» мы кратко рассмотрели историю 3D-печати и актуальные подходы для создания бизнеса на базе этой технологии. Теперь более подробно погрузимся в описание самой технологии, её достоинств, недостатков, особенностей различных видов 3D-печати, а главное — дадим вам в руки полезный инструмент для оптимального выбора оборудования, чтобы начать бизнес с применением аддитивных технологий было легче.

Все 3D-принтеры можно условно разделить на три категории: промышленные, профессиональные и настольные. Мы сразу оставляем за скобками этой статьи первую категорию промышленных 3D-принтеров. Можно только отметить, что это оборудование, стоимость которого может превышать 1 млн долларов за одну систему, прежде всего используется в авиа- и автостроении, аэрокосмической и строительной отраслях.

Промышленная система для 3D-печати металлом

Профессиональный и настольный 3D-принтеры

Разница между настольными и профессиональными 3D-принтерами зачастую достаточно условна, но, на мой взгляд, главное их отличие это функциональность и надёжность, способность профессиональных 3D-принтеров выполнять более сложные задачи и при этом работать в режиме 24/7. Кроме того, профессиональные 3D-принтеры отличаются более высоким уровнем комплектующих, надёжностью конструкции и присутствием важных дополнительных опций, влияющих как на качество печати, так и на удобство в использовании и обслуживании данного оборудования.

Итак, с чего же начать выбор 3D-принтера или 3D-принтеров? Прежде всего надо понять, для каких конкретных задач мы подбираем 3D-принтер, и на данном этапе у нас произойдёт первая важнейшая развилка. Суть этой дилеммы заключается в том, знаете ли вы точно, что вы собираетесь печатать, или предполагается, что 3D-принтер может использоваться для широкого круга разнообразных задач. Такая ситуация возможна, например, в случае открытия студии 3D-печати, направленной на выполнение заказов широкого спектра. Начнём с первой более простой категории, а именно с выбора под конкретную задачу.

Если вы понимаете, что конкретно планируется печатать, это существенно облегчает задачу, но она всё равно остаётся довольно сложной, ведь на рынке представлены сотни моделей 3D-принтеров, и понять, что лучше подойдёт именно вам, будет очень и очень сложно. Для сужения круга надо начать отсекать всё лишнее большими кусками. Прежде всего необходимо определить максимальный размер вашего изделия. Если есть понимание, что вы не будете печатать модели больше, чем, например, 300×300×300 мм, то и покупать принтер с камерой больше не нужно. Размер в 3D-печати имеет важное значение: чем больше область печати принтера, тем он дороже стоит, и рост стоимости нелинейный, разница между принтерами размером 200×200×200 мм и 600×600×600 мм будет не трехкратной, а десятикратной.

Определившись с размером, мы сразу сузим рамки выбора, и можно приступать к следующей задаче. Если вы знаете, что вы будете печатать, то вы понимаете, как это будет использоваться и какими свойствами должно обладать конечное изделие. Будет ли это декоративное изделие или это будет функциональный прототип, который должен будет нести определённую нагрузку, например, иметь необходимую прочность, устойчивость к нагреву, трению, агрессивной среде и т. п. Обладая этой информацией, уже можно приступить к выбору сначала подходящей технологии 3D-печати, а потом уже определиться с конкретной моделью.

Сегодня широкому кругу пользователей доступно две основных технологии 3D-печати: печать с помощью послойного наплавления пластика FDM/FFF и печать жидкой фотополимерной смолой SLA/DLP/LCD. В первом случае тонкая пластиковая нить подаётся в экструдер, где плавится при определённой температуре и через маленькое сопло послойно формирует модель.

Основными плюсами таких принтеров являются: большой выбор доступных материалов, относительно низкая стоимость самих принтеров и материалов, возможность печати модели больших размеров и сложных форм. К минусам же можно отнести низкую скорость печати, а значит, и производительность каждого принтера, а также недостаточно высокое качество финишного покрытия готового изделия.

Во втором случае жидкая фотополимерная смола застывает под воздействием источника света и также послойно формирует готовую модель. В этой технологии есть три подвида, которые отличаются между собой источником засветки смолы, это может быть лазер, цифровой проектор или LCD-панель.

Основным плюсом данной технологии является более высокая производительность таких принтеров. Слой здесь засвечивается целиком, и, таким образом, не имеет значения, сколько моделей расположено на печатном столе — одна или десять, время печати будет одинаковым, эта особенность существенно влияет на производительность. Финишное качество готовой модели также будет выше, в принтерах последних поколений фирменная слоистость, присущая любым 3D-печатным деталям, будет заметна только с применением лупы. Но у каждой медали есть обратная сторона, в случае с фотополимерной печатью — это высокая стоимость материалов и относительно небольшой их выбор. В среднем стоимость пластиковой нити в три-пять раз ниже аналогичных фотополимерных смол.

Итак, мы знаем, что мы будем печатать, какой тираж этого изделия или изделий нам понадобится, а также за какое время он должен быть произведён, ещё одним важным фактором станет себестоимость каждого изделия.

Рассмотрим на конкретном примере. Предположим, для ремонта обычных принтеров нам в месяц нужно печатать 100 разных шестерёнок, все они должны быть износостойкими, и поэтому мы в качестве материала для печати выбрали Nylon (полиамид), который оптимально подходит для этой задачи по своим физическим свойствам. Мы знаем, что максимальный размер такой шестерёнки не превысит 10 см в диаметре, поэтому нам подойдёт практически любой 3D-принтер. Материал типа Nylon доступен как для FDM-принтеров, так и для печати фотополимерной смолой, но в виде нити его цена составляет 2500 руб. за кг, а фотополимерная смола стоит 10 000 рублей за кг. С точки зрения производительности FDM-принтер может спокойно напечатать 10 шестерёнок за рабочий день, и таким образом мы получим необходимый нам тираж с большим запасом по времени. В данном случае более высокая производительность LCD-принтера для нас никакой роли не сыграет, более высокое финишное качество шестерёнки тоже не имеет никакого значения, она будет поставлена на место и после этого её никто не увидит, главное, чтобы она выполняла свою функциональную задачу.

Мы легко установили, что для нашей задачи оптимальным выбором является FDM-принтер, дело осталось за малым, выбрать подходящую модель. Используемый нами для печати материал Nylon является инженерным пластиком с высокой температурой плавления в 245 °С, кроме того, данный материал довольно капризный, и важно правильно выбрать принтер для получения хороших результатов. Для печати нейлоном нужен принтер с закрытой камерой и подогреваемой платформой для печати, чтобы внутри поддерживалась стабильная температура и модель не отлипала от стола и не расслаивалась в процессе печати. Также нужен экструдер хорошего качества, чтобы нить плавилась и подавалась равномерно. Второй экструдер, который используется для формирования растворимых поддержек, для нашей задачи не нужен, т. к. шестерёнки обычно печатаются без поддержек. Но можно рассмотреть модель с двумя независимыми экструдерами, что позволит увеличить производительность вашего принтера в два раза, но и существенно повлияет на его стоимость.

Мы максимально сузили выбор, но у нас всё равно осталось ещё 20–30 подходящих под нашу задачу моделей, дальнейший выбор зависит от имеющегося бюджета и конкретных предпочтений покупателя. Можно посмотреть и почитать обзоры на разные модели, оценить возможные проблемы с сервисным обслуживанием, покупкой запчастей. Также лучше приобретать популярные модели, по ним всегда больше доступной информации, и, запросив помощь других пользователей, можно быстро решить возникающие проблемы. Перед покупкой я бы ещё посоветовал скачать слайсер, который использует данный принтер, попробовал бы им попользоваться, оценить его функциональность, удобство и скорость работы.

Слайсер — это программа, которая трансформирует файл 3D-графики в файл формата.gcode, понятный принтеру, в этом файле есть конкретные указания принтеру, что делать, куда едет головка, сколько слоёв, толщина слоя и т. д. В хороших слайсерах есть дополнительные полезные функции: лечение моделей, их разделение на несколько частей, готовые профили под разные материалы, широкий выбор вариантов заполнения модели, различные структуры поддержки и т. д. Последний вопрос перед покупкой, который бы я себе задал: а хватит ли мне для моей задачи одного принтера, не с точки зрения производительности, а с точки зрения критичности его поломки и долгосрочного ремонта.

Предположим принтер сломался, и из-за этого в компании встали какие-то процессы, ремонт может занимать дни, а иногда недели, насколько для вашего бизнеса будет критично лишиться любимой «игрушки»? Если второй принтер не вариант, я бы посоветовал запастить важными запчастями сразу при покупке. Прежде всего, всегда надо иметь запасные сопла, экструдер и механизм подачи в сборе, также к расходным материалам можно отнести поверхность печати и другие элементы принтера, которые могут отличаться в зависимости от модели.

Надеюсь, вам стала понятна логика выбора принтера под конкретную задачу, теперь перейдём к более сложному случаю, выбору принтера без понимания, что конкретно будет на нём печататься. В данном случае давать советы сложнее, но я бы пошёл по пути универсальности, начал бы с покупки универсального солдата 3D-печати, это должен быть FDM-принтер с двумя экструдерами и большой закрытой камерой печати. В качестве компаньона к нему я бы приобрёл среднеразмерный фотополимерный 3D-принтер для тех задач, где фотополимерная печать подходит лучше.

Сделав такой выбор, вы получите возможность выполнить самый широкий спектр поступающих к вам заказов, а дальше масштабировать ваш парк можно будет с помощью моделей принтеров, подходящих лучше под конкретные задачи, в зависимости от того, каких запросов на печать будет поступать больше.

В завершение статьи хочу остановиться ещё на двух важных аспектах обоих описанных технологий 3D-печати. Я уже упомянул о том, что бывают FDM 3D-принтеры с одним или двумя экструдерами, но не объяснил, зачем нужен второй экструдер. Второй экструдер может использоваться для того, чтобы одновременно печатать модель двух цветов, при этом важно понимать, что цвета не смешиваются, а печатаются последовательно, но это мало востребованная возможность в коммерческой 3D-печати.

Другим же важным применением второго экструдера является возможность печатать поддержки растворимым материалам.

Поддержки — это структуры, которые создаёт слайсер при подготовке модели к печати в тех местах модели, где принтер не может без них обойтись, а именно там, где есть нависающие элементы.

Если ваш принтер имеет один экструдер, то поддержки печатаются тем же материалом, что и сама модель, после печати они удаляются механически.

Поддержки, напечатанные тем же материалом, что и модель

При наличии второго экструдера поддержки можно печатать растворимым материалом, модель после печати кладётся в воду или кислоту, в зависимости от материала используемой поддержки, и она растворяется без следа, что упрощает процесс удаления поддержек и улучшает качество финишной поверхности модели в тех местах, где они были.

Поддержки, напечатанные водорастворимым материалом

Теперь вернёмся к фотополимерной печати. На что стоит обратить внимание при выборе модели, если под вашу задачу лучше подходит именно эта технология? Среди трёх видов фотополимерной печати наибольшее распространение получила именно LCD, прежде всего из-за низкой стоимости как оборудования, так и материалов для печати.

При этом сравнительно низкая стоимость не является отрицательным фактором с точки зрения качества как самих принтеров, так и готовых моделей. Скорее наоборот, победа именно этого вида фотополимерной печати произошла за счёт отличного качества готовых моделей при низкой себестоимости их изготовления. Основным отличием принтеров является размер камеры построения и разрешение LCD-дисплея, которое непосредственно влияет на финишное качество поверхности изделия. Сейчас доступны модели с разрешением от 4K до 12K, и, конечно же, цена растёт с ростом разрешения матрицы, но нужно ли именно вам самое большое разрешение за максимальную цену, нужно определять исходя из задачи.

Также важно понимать, что соответствующее разрешению матрицы качество можно получить только с использованием специальной смолы, например, для принтеров с матрицей 8K выпускается смола 8K, которая позволит реализовать все преимущества высокого разрешения, но и цена такой смолы может быть в 1,5–2 раза выше обычной. Если модель впоследствии будет грунтоваться или краситься, смысла гнаться за максимальным разрешением нет, если же важна максимальная точность и прорисовка мелких деталей, как в ювелирных изделиях, высокое разрешение будет необходимо для получения лучшего качества. Кроме разрешения стоит обратить внимание на качество конструкции принтера, в частности, на направляющие, площадки печати, ванночки, а также на стоимость и доступность расходных материалов, таких как плёнки, ванночки, площадки и, конечно же, сами дисплеи, которые имеют определённый ресурс использования, после чего должны быть заменены.

Процесс очистки модели в специальном устройстве

Ещё одной важной особенностью фотополимерной печати является то, что сама печать не является финальной точкой для создания моделей. После печати модель надо промыть в спирте или воде, в зависимости от типа используемой смолы, а после этого дозасветить в УФ-камере.

Процесс отверждения моделей в УФ-камере

Только после этих трёх процессов, проведённых правильно, модель получает финальную прочность. Для этих задач зачастую используются подручные средства, модель рукой промывают в банке со спиртом, а дозасвечивают на солнце или с помощью бытовой УФ-лампы. На самом же деле для получения модели высокого качества и заданных свойств важно провести два этих процесса с использованием специального оборудования. Для промывки необходимо применять ультразвуковой или механический очиститель, а для дозасветки обязательно использовать специальную УФ-камеру, которая произведёт отверждение равномерно со всех сторон.

На фото комплект для очистки и дополнительного отверждения моделей

Покупка профессионального дополнительного оборудования увеличит ваши расходы, но его использование необходимо для получения ожидаемого результата.

Конечно, в статье трудно охватить все нюансы выбора 3D-принтера, но главное — выработать к этой задаче правильный подход, который я и старался донести до вас. При покупке принтера не бойтесь задавать любые вопросы, ориентируйтесь на свой бюджет и свои задачи, и главное — нужно понимать, что самый простенький 3D-принтер в руках профессионала творит чудеса, а самый дорогостоящий инструмент в руках неуча и лентяя — лишь бесполезная груда металла.

Об авторе: Александр Корнвейц, основатель компаний «Цветной Мир» и Best3D Print, эксперт в области 3D-печати.