Даруємо!!!

Відмінність технологій 3D друку і матеріалів


Технологій 3D-друку дуже багато, і регулярно з’являються або нові, або модифікації вже відомих, тому ми не будемо намагатися осягнути неосяжне і докладніше розповімо лише про найбільш цікаві і поширені.

Почнемо, звичайно, з стереолітографії, яка історично була найпершою.

Стереолітографія (StereoLithography Apparatus, SLA)

Вихідним продуктом є рідкий фотополімер, в який доданий спеціальний реагент-затверджувач, і ця суміш нагадує всім відому епоксидну смолу, тільки в звичайному стані вона залишається рідкою, а полімеризується і стає твердою під впливом ультрафіолетового лазера.

Природно, лазер не може відразу створити всю модель в товщі полімеру, і мова може йти тільки про послідовній побудові тонкими шарами. Тому використовується рухома підкладка з отворами, яка за допомогою мікроліфта-елеватора занурюється в фотополімер на товщину одного шару, потім лазерний промінь засвічує області, що підлягають затвердінню, підкладка занурюється ще на товщину одного шару, знову працює лазер, і так далі.

Не обходиться і без істотних складнощів. По-перше, вимоги до самого фотополімером досить суперечливі: якщо він буде густим, то його легше полимеризовать, але складніше забезпечити рівну поверхню після кожного кроку занурення; доводиться використовувати спеціальну лінійку, яка на кожному кроці проходить по поверхні рідини і вирівнює її. Велика кількість затверджувача при фіксованій потужності лазера дозволить зменшити необхідний час впливу, проте неминуча фонова засвічення «псує» навколишній обсяг полімеру і скорочує можливий термін його використання.

По-друге, повна полімеризація кожного шару зайняла б чимало часу, тому засвічення проводиться до рівня, при якому шар набуває лише мінімально необхідну міцність, а згодом готову модель, попередньо промивши від залишків рідкого полімеру, доводиться опромінювати потужним джерелом в спеціальній камері, щоб полімеризація досягла 100%.

Плюси технології зрозумілі:

  • можна отримати дуже високий дозвіл друку, т. Е. Досягти хорошої точності при виготовленні моделей, яка по вертикалі залежить в основному від можливостей елеватора, що занурює платформу, і зазвичай становить 100 мкм, а в кращих апаратах і менше, до 25 -50 мкм; по горизонталі точність визначається фокусуванням лазерного променя, цілком реальним є діаметр «плями» в 200 мкм; відповідно і якість поверхні навіть без додаткової обробки виходить високим;
  • можна отримувати дуже великі моделі, розміром до 150 × 75 × 55 см і вагою до 150 кг;
  • механічна міцність одержуваних зразків досить висока, вони можуть витримувати температуру до 100 ° С;
  • дуже мало обмежень на складність моделі і наявність у неї дрібних елементів;
  • мала кількість відходів;
  • легкість фінішної обробки, якщо така взагалі буде потрібно.

Мінуси:

  • обмежений вибір матеріалів для виготовлення моделей;
  • неможливість кольорового друку і поєднання різних матеріалів в одному циклі;
  • мала швидкість друку, максимум 10-20 міліметрів на годину по вертикалі;
  • дуже великі габарити і вага: так, один з SLA-апаратів 3D Systems ProX 950 важить 2,4 тонни при розмірах 2,2 × 1,6 × 2,26 м.
3D-принтер ProX 950

Хоча ми згадали обмеженість спектра витратних матеріалів, але все ж вибір є , і можна отримувати моделі з різними властивостями: з підвищеною термостійкістю, гнучкі, з високою стійкістю до абразивів. Правда, з квітами гірше: є дуже обмежена кількість, включаючи білий, сірий, а також напівпрозорий.

Але головний мінус – висока ціна як самих принтерів (сотні тисяч доларів), так і витратних матеріалів (дві-три тисячі доларів за 10-кілограмовий картридж), тому хоч трохи масово SLA-апарати не зустрічаються.

Вибіркове лазерне спікання (Selective Laser Sintering, SLS)

Цей метод з’явився приблизно в той же час, що і SLA, і навіть має з ним багато спільного, тільки замість рідини використовується порошок з діаметром частинок 50-100 мкм, тонкими рівномірними шарами розподіляється в горизонтальній площині, а потім лазерний промінь спікають ділянки, що підлягають затвердінню на даному шарі моделі.

Вихідні матеріали можуть бути самі різні: метал, пластик, кераміка, скло, ливарний віск. Порошок наноситься і розрівнюється по поверхні робочого столу спеціальним валиком, який при зворотному проході видаляє надлишки порошку. Потім працює потужний лазер, спікається частки один з одним і з попереднім шаром, після чого стіл опускається на величину, рівну висоті одного шару. Для зниження потужності лазера, необхідної для спікання, порошок в робочій камері попередньо нагрівається майже до температури плавлення, а сам лазер працює в імпульсному режимі, оскільки для спікання важливіше пікова потужність, а не тривалість впливу.

Частинки можуть плавитися повністю або частково (по поверхні). Незапечений порошок, що залишається навколо отверділих шарів, служить підтримкою при створенні нависають елементів моделі, тому немає необхідності в формуванні спеціальних підтримують структур. Але цей порошок по закінченні процесу необхідно видалити як з камери, особливо якщо наступна модель буде створюватися з іншого матеріалу, так і з порожнин вже виготовленої моделі, що можна зробити лише після її повного остигання.

Часто потрібне фінішна обробка – наприклад, полірування, оскільки поверхня може виходити шорсткою або з видимою слоістістью. Крім того, матеріал може використовуватися не тільки чистий, але і в суміші з полімером або у вигляді частинок, покритих полімером, залишки якого потрібно видалити шляхом випалювання в спеціальній печі. Для металів одночасно відбувається заповнення виникають пустот бронзою.

Оскільки мова йде про високі температури, необхідних для спікання, процес відбувається в азотному середовищі з малим вмістом кисню. При роботі з металами це ще і запобігає окисленню.

Серійно випускаються установки SLS дозволяють працювати з досить великими об’єктами, до 55 × 55 × 75 см.

Габарити і вага самих установок, як і SLA, досить вражаючі. Так, апарат Formiga P100, зображений на фото, при досить скромних розмірах виготовляються моделей (робоча зона 20 × 25 × 33 см) має розміри 1,32 × 1,07 × 2,2 м при вазі 600 кг, і це без урахування таких опцій, як установки для змішування порошку і системи очищення-фільтрації. Причому працювати P100 може тільки з пластиками (поліамід, полістирол).

3D-принтер Formiga P100

Варіантами технології є:

  1. Селективне лазерне плавлення (Selective Laser Melting,SLM),яке використовується для роботи з чистими металами без домішок полімеру і дозволяє створити готовий зразок за один етап.
  2. Електронно-променеве плавлення (Electron Beam Melting, EBM) з використанням електронного променя замість лазера; ця технологія вимагає роботи у вакуумній камері, але дозволяє використовувати навіть такі метали, як титан.

Зустрічаються і такі назви, як Direct Metal Fabrication(DMF),а також Direct Manufacturing.

Принтер SPRO 250 Direct Metal виробництва 3D Systems, який, як зрозуміло з назви, може працювати з металами за технологією SLM, з робочою камерою 25 × 24 × 32 см має розмір 1,7 × 0,8 × 2 метри і вага 1225 кг. Заявлена швидкість від 5 до 20 кубічних сантиметрів на годину, і можна зробити висновок, що модель об’ємом зі стакан буде виготовлятися мінімум 10 годин.

3D-принтер SPRO 250 Direct Metal

Плюси:

  • широкий спектр матеріалів, придатних для використання;
  • дозволяє створювати дуже складні моделі;
  • швидкість в середньому вище, ніж у SLA, і може досягати 30-40 мм на годину по вертикалі;
  • може використовуватися не тільки для створення прототипів, але і для дрібносерійного виробництва, в т. ч. ювелірних виробів;

Мінуси:

  • потрібні потужний лазер і герметична камера, в якій створюється середовище з малим вмістом кисню;
  • менше, ніж у SLA, максимальний дозвіл: мінімальна товщина шару 0,1-0,15 мм (в залежності від матеріалу може бути і трохи менше 0,1 мм); по горизонталі, як і в SLA, точність визначається фокусуванням лазерного променя;
  • потрібно довгий підготовчий етап для прогріву порошку, а потім потрібно чекати охолодження отриманого зразка, щоб можна було видалити залишки порошку;
  • в більшості випадків потрібно фінішна обробка.

Ціна на установки SLS ще вище, ніж SLA, і може досягати мільйонів доларів. Однак зазначимо, що в лютому 2014 року закінчився термін патентів на технологію SLS, тому цілком можна спрогнозувати збільшення кількості компаній, що пропонують подібну техніку, а відповідно і помітне зниження цін. Проте, навряд чи в найближчі роки ціни знизяться несуттєво, що SLS-друк стане доступною хоча б малому бізнесу, не кажучи вже про приватні ентузіастах.

Оскільки матеріали дуже різноманітні, ми не наводимо орієнтовних цін.

Метод багатоструеневого моделювання (Multi Jet Modeling, MJM)

Принтери, засновані на даній технології, випускаються компанією 3D Systems. У зв’язку з патентними обмеженнями є і назви, які використовуються іншими виробниками принтерів: PolyJet (Photopolymer Jetting, компанія Stratasys), DODJet (Drop-On-Demand Jet, компанія Solidscape). Звичайно, відмінності не тільки в назвах, але базові принципи схожі.

Процес дуже нагадує звичайну струминний друк: матеріал подається через сопла малого діаметра, розташовані рядами на друкуючої голівці. Кількість сопел може бути від декількох штук до декількох сотень. Звичайно, матеріал не є рідким при кімнатній температурі: спочатку він нагрівається до температури плавлення (як правило, не дуже високою), потім подається в головку, наноситься пошарово і застигає. Шари формуються переміщенням головки в горизонтальній площині, а вертикальне зміщення при переході до наступного шару, як і в попередніх випадках, забезпечується опусканням робочого столу. У варіанті DODJet додається етап обробки шару фрезерної головкою.

Як матеріал для MJM-принтерів використовують пластики, фотополімери, спеціальний віск, а також матеріали для медичних імплантів, зубних зліпків і протезів. Можлива й комбінація різних матеріалів: на відміну від попередніх двох технологій, які виступають під великим кутом елементи моделей або горизонтальні перемички, щоб уникнути провисань вимагають застосування підтримуючих структур, які при фінішній обробці доводиться видаляти. Щоб не робити це вручну, можна застосувати для підтримок матеріал з меншою температурою плавлення, ніж для власне моделі, і потім видалити його розплавленням в спеціальній печі. Інший варіант – використання для підтримок матеріалу, який видаляється розчиненням в спеціалізованому розчині, а часом і просто у воді.

Використання фотополімера, як і в стереолітографії, зажадає затвердіння ультрафіолетом, тому надрукований шар засвічується УФ-лампою. Віск ж твердне при природному охолодженні. Звичайно, воскові моделі не відрізняються особливою міцністю, але їх дуже легко використовувати при виготовленні форм для лиття.

Як і в звичайній струминного друку, використання матеріалів різного кольору дозволить створювати за один цикл багатобарвні моделі, а змішання базових квітів дасть можливість отримувати безліч відтінків. Крім цього, можна поєднувати в одній моделі матеріали з різними властивостями – наприклад, тверді і еластичні.

Перейдемо до прикладів.

Компактний принтер Solidscape 3Z max при власних розмірах 56 × 50 × 42 см і вазі 34 кг дозволяє створювати моделі розмірами до 152 × 152 × 101 мм, забезпечуючи дозвіл 5000 × 5000 dpi (197 × 197 точок / мм) по осях X, Y і 8000 dpi (158 точок / мм) по осі Z. Його ціна близько $ 50 000, але в лінійці 3Z є й дешевші моделі.

3D-принтер Solidscape 3Z max

У цих принтерах якраз і використовується віск двох типів: більш тугоплавкий (95-115 ° С) для власне моделей і легкоплавкий (50-72 ° С) для підтримують структур, які потім видаляються при низьких температурах за допомогою спеціального розчину.

Solidscape 3Z max, расходные материалы

Приблизна вартість: віск для моделей 3Z LabCast – $ 260-270 за 360 г, віск для підтримок $ 200-210 за 230 м Як бачите, до дуже вже дешевим такі витратні матеріали не віднесеш.

Плюси:

  • досяжні дуже мала товщина шару (від 16 мкм) і дозвіл побудови поверхні (до 8000 dpi);
  • можливість кольорового друку і поєднання матеріалів з різними властивостями;
  • принтери можуть бути досить компактними, особливо в порівнянні з попередніми двома технологіями.

Мінуси:

  • для моделей з нависають або горизонтально виступаючими елементами потрібні підтримки, які доводиться тим або іншим способом видаляти;
  • обмежений вибір матеріалів для роботи.

Пошарове склеювання плівок (Laminated Object Manufacturing, LOM)

Тонкі листи матеріалу раскраиваются лазерним променем або спеціальним лезом, а потім тим чи іншим способом з’єднуються між собою. Для створення 3D-моделей може використовуватися не тільки пластик, але навіть папір, кераміка або метал.

Оскільки різних моделей дуже багато, розглянемо один дуже характерний приклад – кольоровий 3D-принтер Mcor IRIS, продемонстрований компанією Mcor Technologies на виставці SolidWorks World 2013. Він використовує в якості матеріалу самі звичайні аркуші паперу формату А4 або Letter щільністю 160 г / м², які фарбуються в потрібний колір. Дозвіл друку 5760 × 1440 × 508 точок на дюйм, а максимальний розмір створюваних об’єктів становить 256 × 169 × 150 мм. При цьому забезпечується повнокольоровий друк з передачею понад мільйон квітів.

3D-принтер Mcor IRIS

На фото зображений 3D-принтер на підставці; габарити самого принтера 95 × 70 × 80 см, вага 160 кг. У підставці розміром 116 × 72 × 94 см і вагою ще 150 кг ховається кольоровий 2D-принтер.

Створення моделі ведеться в кілька етапів: на першому пачка паперу завантажується в 2D-принтер і на кожному з листів в кольорі друкується потрібний шар.

3D-принтер Mcor IRIS

Потім видрукувані листи переносяться оператором в 3D-принтер, де спеціальним лезом на кожному з них робиться проріз по межі нанесеного зображення, а потім листи склеюються між собою. На третьому етапі оператор вручну видаляє зайвий папір, що не містить зображення, що для складних моделей може зайняти чимало часу.

Як ви вже зрозуміли, в процесі роботи виходить досить багато відходів: якщо розмір даного перетину моделі набагато менше А4 або Letter, то інша частина листа піде в кошик; помножте на кількість перетинів і уявіть, скільки паперу буде викинуто.

Моделі виходять дуже вражаючими і досить міцними, а їх собівартість здається копійчаної – папір адже дешева!

3D-принтер Mcor IRIS

Але ж потрібно ще і клей для з’єднання шарів (близько $ 70 за 600 мл), і картриджі з барвниками стандартних кольорів CMYK (близько $ 700 за набір з 4 картриджів по 320 мл або $ 195 за кожен картридж окремо), яких, за оцінкою виробника, вистачає в середньому на 48 моделей. Виходить не так і дешево, а ціна самого апарату вражає ще більше: на Заході згадуються ціни від $ 47 600, а на російському ринку пропозиції і зовсім починаються від двох мільйонів рублів.

Є й природне обмеження на товщину шару, що дорівнює товщині листа паперу. Це дуже добре помітно на наступній моделі:

3D-принтер Mcor IRIS

На прикладі Mcor IRIS перерахуємо основні переваги та недоліки, багато з яких притаманні і іншим принтерів, заснованим на технології LOM.

Плюси:

  • можливість повноколірного друку з високою роздільною здатністю по осях X і Y;
  • доступність і відносна дешевизна головного витратного матеріалу – паперу;
  • можна створювати досить великі моделі;
  • для моделей з нависають або горизонтально виступаючими елементами не потрібно формування підтримують структур.

Мінуси:

  • вкрай обмежений набір матеріалів для створення моделей (в Mcor IRIS – тільки папір), а звідси і обмеження на міцність та інші властивості створюваних зразків;
  • товщина шару цілком залежить від товщини використовуваного листового матеріалу, через що модель не завжди вдається грубої, а механічна обробка для згладжування можлива не завжди, оскільки може призвести до розшарування;
  • наявність чималої кількості відходів, причому якщо горизонтальні проекції моделі набагато менше аркуша А4 / Letter, то відходів виходить дуже багато; уникнути цього можна одночасним виготовленням декількох невеликих зразків;
  • завжди потрібно фінішна обробка, пов’язана з видаленням зайвого матеріалу, вона лише може бути простіше чи складніше в залежності від властивостей моделі; причому якщо модель має порожнини з обмеженим доступом, то видалити з них зайве може бути просто неможливо.

Раз вже ми згадали повнокольоровий друк, яка в технології LOM хоч і реалізується, але все ж на основі звичайної 2D-друку, не можна не розповісти і про тривимірного друку з гіпсового композиту.

3D Printing (3DP, 3D-друк)

Як і в SLS, основою для майбутнього об’єкта є порошок (гіпсовий композит), тільки він не спікається, а пошарово склеюється введенням сполучного речовини.

Для побудови чергового шару моделі по всій площі робочого столу валиком наноситься і розрівнюється порошок, в який друкує головкою, що нагадує струменевий, по якому вигляді даного перетину моделі вводиться рідкий клей. До речі: є згадки, що головки розробляються Hewlett-Packard. Потім стіл з уже створеними шарами опускається і процес повторюється потрібну кількість разів, а по закінченні відбувається нагрів для прискорення висихання клею.

Після цього зайвий порошок, що залишився непов’язаним, віддаляється: в основному автоматично, повертаючись в бункер для подальшої роботи, а з складнодоступних місць – струменем повітря (станція очистки може бути вбудована в дорогі моделі) або пензлем.

Але в моделі, що вийшла залишаються пори – простір між частинками порошку, а поверхня виходить шорсткою. Для додання потрібних властивостей (гладкості, міцності, малої гігроскопічності) її потрібно обробити спеціальним складом-закріплювачем. У його якості може виступати розчин англійської солі (гептагідрат сульфату магнію), віск, парафін, ціанокрілат і епоксидної смоли; частина з них можна наносити простим обприскуванням або зануренням, а для інших використовуються спеціальні станції.

Звідки ж береться повнокольоровий друк, якщо порошок один і той же? А дуже просто: барвники вводяться в сполучна речовина, і їх змішання дозволяє отримати від 64 до 390 000 відтінків. Причому деякі типи закріплювачів дозволяють зробити кольори дуже яскравими.

Такий спосіб використовується в серії ZPrinter, що випускалася компанією ZCorporation, яка в 2011 році була поглинена 3D Systems, після чого серія отримала назву ProJet і дещо інший зовнішній вигляд. У серію входять і кольорові, і монохромні принтери з розмірами робочих камер до 508 × 381 × 229 мм. Товщину шару можна задавати ступенями від 0,089 до 0,125 мм, а швидкість роботи може досягати 2700 см³ / год.

Молодша модель серії, принтер ProJet 160 (ZPrinter 150), в Росії продається за ціною понад 700 тисяч рублів, має робочу камеру 236 × 185 × 127 мм, єдино можливу товщину шару 0,1 мм. Габарити апарату 740 × 790 × 1400 мм при вазі 165 кг.

Що Забезпечує цим апаратом дозвіл складає 300 dpi по осі X, 450 dpi по Y і 250 dpi (т. Е. 0,1 мм) по Z. Друкуюча головка має 304 сопла, а швидкість роботи 870 см³ / год. Оскільки використовується композитний гіпсовий матеріал білого кольору, то і моделі виходять білими; можливості кольорового друку немає. Восьмикілограмовий відро порошку коштує близько $ 1000, а набір 2 × 1 л прозорої сполучною рідини $ 600.

3D-принтер ProJet 160 (ZPrinter 150)

Найдешевший кольоровий принтер серії, ProJet 260C (ZPrinter 250), обійдеться вже приблизно в 1,2-1,3 мільйона рублів. Параметри його приблизно ті ж, що і у ProJet 160, а кількість доступних кольорів обмежена 64. Ціна на молодший з повнокольорових принтерів, ProJet 460Plus (ZPrinter 450), майже вдвічі вище.

Плюси:

  • дозволяє створювати дуже складні моделі без підтримуючих структур;
  • можливість повноколірного друку з високою роздільною здатністю.

Мінуси:

  • вкрай обмежена кількість матеріалів, придатних для використання;
  • в ряді випадків потрібно фінішна обробка, особливо коли не можна миритися з шорсткою поверхнею;
  • мала міцність одержані зразків навіть після обробки закріплює складом.

Тепер переходимо до технології, яка останнім часом стала найбільш поширеною, і розглянемо її найбільш докладно, оскільки в наступних оглядах ми будемо мати справу з принтерами на основі саме цієї технології.

Пошарове наплавлення (Fusing Deposition Modeling, FDM)

Як і у всіх інших розглянутих нами технологіях, модель при FDM-друку створюється пошарово. Для виготовлення чергового шару термопластичний матеріал нагрівається в друкуючій голівці до напіврідкого стану і видавлюється у вигляді нитки через сопло з отвором малого діаметра, осідаючи на поверхні робочого столу (для першого шару) або на попередньому шарі, з’єднуючись з ним. Головка переміщується в горизонтальній площині і поступово «малює» потрібний шар – контури і заповнення між ними, після чого відбувається вертикальне переміщення (найчастіше опусканням стола, але є моделі, в яких піднімається головка) на товщину шару і процес повторюється до тих пір, поки модель не буде побудована повністю.

В якості витратного матеріалу найчастіше використовуються різні пластики, хоча є і моделі, що дозволяють працювати з іншими матеріалами – оловом, сплавами металів з невисокою температурою плавлення і навіть шоколадом.

Мінуси, властиві даній методиці, очевидні:

  • невисока швидкість роботи (але, власне, дуже вже високою швидкістю не можуть похвалитися й інші технології: для побудови великих і складних моделей потрібні багато годин і навіть десятки годин);
  • невелика роздільна здатність як по горизонталі, так і по вертикалі, що призводить до більш-менш помітної шаруватості поверхні виготовленої моделі;
  • проблеми з фіксацією моделі на робочому столі (перший шар повинен прилипнути до поверхні платформи, але так, щоб готову модель можна було зняти); їх намагаються вирішити різними способами – підігрівом робочого столу, нанесенням на нього різних покриттів, проте зовсім і завжди уникнути не виходить;
  • для нависають елементів потрібне створення підтримують структур, які згодом доводиться видаляти, але навіть з урахуванням цього деякі моделі просто неможливо зробити на FDM-принтері за один цикл, і доводиться розбивати їх на деталі з подальшим з’єднанням склеюванням або іншим способом.

Таким чином, для дуже багатьох зразків, виготовлених за технологією FDM, буде потрібно більш-менш складна фінішна обробка, яку складно або неможливо механізувати, тому в основному вона проводиться вручну.

Є і менш очевидні недоліки, наприклад, залежність міцності від напрямку, в якому прикладається зусилля. Так, можна зробити зразок досить міцним на стиск в напрямку, перпендикулярному розташуванню шарів, але ось на скручування він буде набагато менш міцним: можливий розрив по межі шарів.

Інший момент в тій чи іншій мірі властивий будь-якої технології, пов’язаної з нагріванням: це термоусадка, яка призводить до зміни розмірів зразка після охолодження. Звичайно, тут багато залежить від властивостей використовуваного матеріалу, але часом не можна примиритися навіть зі змінами в кілька десятих часток відсотка.

Далі: технологія може здатися безвідходної тільки на перший погляд. І мова не тільки про підтримують структурах в складних моделях, чимало пластику йде у відходи навіть у досвідченого оператора при підборі оптимального для конкретної моделі режиму друку.

Чому ж при такій кількості проблем ця технологія зараз стала настільки популярною?

Головна і визначальна причина – ціна як на самі принтери, так і на витратні матеріали до них. Першим важливим поштовхом у процесі просування FDM-принтерів «в маси» стало витікання в 2009 році терміну дії патентів, внаслідок чого за п’ять років ціни на такі принтери знизилися більш ніж на порядок, а якщо розглянути крайності (найдорожчі до 2009 року і найдешевші сьогодні), то і на два порядки: ціна на найдешевші принтери китайського виробництва сьогодні становить всього 300-400 доларів – правда, швидше за все покупець в них моментально розчарується. Більш пристойні принтери початкового рівня зараз мають ціну вже ближче до $ 1200-1500.

3D-принтер UP! mini

Другим важливим чинником стала поява проекту RepRap,або Replicating Rapid Prototyper – самовоспроизводящийся механізм швидкого прототипування. Самовідтворення стосується виготовлення на вже зроблене принтері частин для іншого подібного принтера – звичайно, не всіх, а лише тих, які можна створити в рамках даної технології, все інше доводиться купувати. І воно не було самоціллю проекту: головним завданням стало створення максимально дешевих моделей принтерів, доступних навіть приватним ентузіастам, не обтяженим надлишком грошей, але бажаючим спробувати свої сили в 3D-друку. Більш того, що самовідтворюються (в скільки-небудь помітної частини всіх деталей) були і є далеко не всі прототипи, створені в рамках RepRap.

Ми не будемо займатися докладним описом етапів становлення проекту RepRap, розбором достоїнств і недоліків таких прототипів, як Darwin, Mendel, Prusa Mendel, Huxley. Тема дуже обширна, щоб її можна було розглянути в рамках даного огляду, і ми наводимо ці назви тільки як ключові слова для пошуку інформації, якою в інтернеті дуже багато.

3D-принтер Prusa Mendel

Звичайно, створювані таким чином принтери найчастіше далекі від досконалості навіть у рамках технології FDM, але вони дозволяють з мінімальними фінансовими затратами створити цілком працездатний апарат. Потрібно відзначити: сьогодні зовсім не обов’язково шукати володаря принтера, щоб надрукувати можливі деталі, і бігати по магазинах у пошуках іншого; пропонуються повні набори для самостійної збірки принтера, так звані DIY kits (від «Do It Yourself» – зроби це сам), які дозволяють і помітно заощадити, і уникнути зайвої біганини і клопоту, та до того ж містять докладні інструкції по збірці. Але є простір і для тих, хто не хоче замикатися в рамки готових конструкцій і бажає внести в них щось своє: є маса пропозицій по будь-яким окремим комплектуючих для подібних принтерів.

Ще одна позитивна сторона розвитку проекту RepRap – поява і вдосконалення різного програмного забезпечення для роботи з подібними 3D-принтерами, причому розповсюджуваного вільно. У цьому важлива відмінність від апаратів, що випускаються іменитими виробниками, які працюють тільки з власним ПО.

В принципі, проект не замикається на технології FDM, але поки саме вона є найбільш доступною, так само як найбільш доступним матеріалом є пластикова нитка, яка і використовується в переважній більшості принтерів, створюваних на базі розробок RepRap.

Широке поширення FDM-принтерів призвело до збільшення попиту на витратні матеріали до них; пропозиція не могло не бути за попитом, і сталося те ж саме, що і з самими принтерами: ціни впали. Якщо на старих інтернет-сторінках, присвячених FDM-технологіям, зустрічаються згадки цін на рівні 2-3 і навіть більше сотень євро за кілограм пластикової нитки, то зараз повсюдно йдеться про десятки євро, і лише на нові матеріали з незвичайними властивостями ціна може досягати сотні доларів або євро за кілограм. Правда, якщо раніше продавалися в основному «фірмові» матеріали, то тепер часто пропонується нитка незрозумілого походження і невизначеного якості, але це неминуче супроводжує популярності.

Крім ціни, у FDM-принтерів є інші достоїнства, пов’язані з можливостями технології. Так, дуже легко оснастити принтер другий друкуючої головкою, яка може подавати нитка з легко видаляється матеріалу для створення підтримок в складних моделях. Внісши барвник при виготовленні пластикового нитки, можна отримувати різні, дуже яскраві кольори.

Та й сам матеріал нитки може мати найрізноманітніші властивості, тому розглянемо коротко найбільш поширені типи.

Пластикова нитка може бути двох стандартних діаметрів: 1,75 і 3 мм. Природно, вони не взаємозамінні, і вибір потрібного діаметра слід уточнювати за специфікацією принтера. Поставляється пластик на котушках і вимірюється не довжиною, а вагою. Для FDM-принтерів деяких виробників (наприклад, CubeX від 3D Systems) потрібно купувати не котушки, а спеціальні картриджі з ниткою, які в перерахунку на кілограм обходяться помітно дорожче, але виробник гарантує якість матеріалу – словом, все точно так, як в звичайних принтерах : «оригінальна» і «сумісна» расходка.

Для кожного типу матеріалу повинні бути відомі робоча температура, до якої повинен нагріватися матеріал в друкуючій голівці, і температура підігріву робочого столу (платформи) для кращого прилипання першого шару. Ці величини не завжди однакові для будь-якого зразка нитки, зробленої з матеріалу одного типу, тому ми вказуємо приблизний діапазон; по ідеї, оптимальні температури повинні вказуватися на етикетці котушки або в супровідному документі, але це відбувається далеко не завжди, і часто їх доводиться підбирати експериментально.

Расходные материалы к FDM-принтерам

Основними матеріалами для FDM-принтерів є пластики ABS і PLA.

ABS (Акрилонітрілбутадієнстірол, АБС) – це ударопрочная технічна термопластична смола на основі сополимера акрилонітрилу з бутадієном і стиролом. Сировиною для його виробництва є нафта. Цей пластик непрозорий, легко забарвлюється в різні кольори.

Переваги ABS:

  • довговічність,
  • ударостійкість і відносна еластичність,
  • нетоксичність,
  • волого-і маслостійкість,
  • стійкість до лугів і кислот,
  • широкий діапазон експлуатаційних температур: від -40 ° С до +90 ° С, у модифікованих марок до 103-113 ° С.

До переваг слід віднести невисоку вартість, розчинність в ацетоні (що дозволяє не тільки склеювати деталі з ABS, але також згладжувати за допомогою ацетону нерівну поверхню). ABS більш жорсткий, ніж PLA, і тому зберігає форму при великих навантаженнях.

З недоліків треба згадати такі:

  • несумісність з харчовими продуктами, особливо гарячими, оскільки при певних умовах (високій температурі) може виділяти ціановодород,
  • нестійкість до ультрафіолетового випромінювання (т. Е. Не любить прямих сонячних променів),
  • термоусадка помітно вище, ніж у PLA,
  • більш крихкий, ніж PLA.

Робоча температура вище, ніж у PLA, і знаходиться в діапазоні 210-270 ° С. При роботі з ниткою ABS відчувається слабкий запах. Крім того, для кращого прилипання першого шару моделі до робочого столу потрібен підігрів столу приблизно до 110 градусів.

Про ціну: зустрічаються згадки $ 30-40 за кілограмову котушку. Реально ціни в Росії починаються від 1500 (дрібний опт) до 2000 і більше (роздріб) рублів за кілограм, якщо мова йде про китайських виробників. ABS-нить від відомих фірм, виготовлена в США, може бути в півтора-два рази дорожче.

PLA (полілактид, ПЛА) – біорозкладаний, біосумісний поліефір, мономером якого є молочна кислота. Сировиною для виробництва служать поновлювані ресурси – наприклад, кукурудза або цукрова тростина, тому матеріал є нетоксичним і може застосовуватися для виробництва екологічно чистої упаковки і одноразового посуду, а також в медицині та в засобах особистої гігієни.

Відразу відзначимо: биоразлагаемость зовсім не синонім крайней недовговічності, вироби з PLA цілком життєздатні.

Переваги:

  • низький коефіцієнт тертя, що робить його придатним для виготовлення підшипників ковзання,
  • мала термоусадка, особливо в порівнянні з ABS,
  • менш крихкий і більш в’язкий, ніж ABS: при однакових навантаженнях швидше зігнеться, ніж зламається.

Робоча температура нижче, ніж у ABS: близько 180-190 ° С. Підігрів робочого столу не є обов’язковим, але бажано все ж нагрівати стіл до 50-60 ° С.

Недоліки: один з них ми вже згадали – меншу, ніж у ABS, довговічність. Крім того, PLA більш гігроскопічний, і навіть при зберіганні вимагає дотримання режиму вологості, інакше може початися розшарування матеріалу і поява в ньому бульбашок, що призведе до дефектів при виготовленні моделі. До того ж PLA часто трохи дорожче ABS, хоча ціна сильно залежить від виробника і продавця.

Ацетон практично не робить впливу на PLA, його доводиться склеювати і обробляти діхлоретаном, хлороформом або іншими хлоровані вуглеводнями, що вимагає підвищених заходів безпеки при роботі (але, звичайно, і ацетон в цьому плані не подарунок).

Інші матеріали для FDM-друку поширені набагато менше.

HIPS (High-impact Polystyrene, ударостійкий полістирол) – матеріал непрозорий, жорсткий, твердий, стійкий до ударних впливів, до морозу і перепадів температур. Розчиняється в лімонене – природному розчиннику, витягуваний з цитрусових, і тому може використовуватися для створення підтримують структур, які не доведеться видаляти механічно.

Робоча температура близько 230 ° С, ціна на 30-50% вище, ніж у ABS.

Нейлон легкий, гнучкий, стійкий до хімічного впливу. Деталі з нього мають дуже низьким поверхневим тертям.

Робоча температура вище, ніж у PLA: близько 240-250 ° С. Правда, при цьому не виділяється парів або запахів. Вартість нейлонової нитки в два рази більше, ніж PLA або ABS.

PC (Polycarbonate, полікарбонат) – досить твердий полімер, який зберігає свої властивості в діапазоні температур від -40 ° С до 120 ° С. Володіє високим світлопропускання і часто використовується як замінник скла, а оскільки ще має меншу питому масу і більш високий коефіцієнт заломлення, то прекрасно підходить для виробництва лінз. Повна біологічна інертність дозволяє робити з нього навіть контактні лінзи. Крім того, з нього виготовляють компакт-диски.

Температура друку 260-300 ° С. У вигляді нитки для FDM-друку поки випускається мало, тому ціна втричі вище, ніж у ABS.

Схожими оптичними властивостями володіє PETT (Polyethylene terephthalate, поліетилентерефталат). Моделі з нього виходять дуже міцними, оскільки шари розплавленого матеріалу відмінно склеюються. Робоча температура 210-225 ° С, стіл бажано підігріти до 50-80 ° С. Ціна близько 4500-5000 рублів за кілограм.Під абревіатурою PVA (ПВА) можуть ховатися два типи матеріалу: полівінілацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) і полівініловий спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). За хімічною формулою вони досить схожі, тільки в полівінілового спирту відсутні ацетатні групи, і властивості їх теж збігаються – багато в чому, але не в усьому. На жаль, продавці часто вказують просто «PVA (ПВА)», не роблячи відмінностей, тому ми можемо привести тільки узагальнену приблизну ціну: 4500-5000 рублів за кілограм нитки.

Полівініловий спирт PVAl вимагає робочої температури близько 180-200 ° С, подальше збільшення дози небажано – може початися піроліз (термічне розкладання). Крім того, матеріал дуже гігроскопічний, він активно поглинає вологу з повітря, що створює проблеми і при зберіганні, і при друку, особливо якщо діаметр нитки 1,75 мм. З іншого боку, це ж властивість є дуже корисним: підтримки, зроблені з PVAl, розчиняються в холодній воді.

Полівінілацетат PVAc всім добре відомий як складова частина клею ПВА, що представляє собою водну емульсію цієї речовини. Для нього потрібно трохи нижча робоча температура: 160-170 градусів. Він також добре розчиняється в воді.

Весь час з’являються нові матеріали з оригінальними властивостями. Правда, ціна на них в перший час може бути дуже високою.

Наприклад, гума NinjaFlex дозволяє створювати еластичні вироби. Ціна близько 7500-8000 рублів за кілограм, робоча температура 210-225 ° С, температура столу може бути кімнатної або злегка підвищеної, до 35-40 ° С.

Нещодавно з’явився матеріал Laywoo-D3 цікавий перш за все тим, що вироби з нього за фактурою нагадують дерево і навіть пахнуть, як дерев’яні. Справа в тому, що його якраз і роблять на основі дрібних частинок дерева і сполучного полімеру. Робочі температури можуть бути в діапазоні 175-250 ° С, підігрів столу не потрібно. Причому колір після застигання буде залежати від обраної температури: чим вона вища, тим темніше. Змінюючи температуру під час друку, можна навіть отримати подібність річних кілець, як на натуральному дереві. Звичайно, і ціна на цей матеріал чимала – близько 10 тисяч рублів за кілограм.

Інший екзотичний матеріал, Laybrick,містить мінеральні наповнювачі і дозволяє імітувати вироби з пісковика. Робоча температура знаходиться в межах 165-210 ° С; на цей раз з підвищенням температури можна отримати більш грубу поверхню для посилення ефекту імітації. Він також не вимагає підігріву столу, але після закінчення друку слід почекати кілька годин, щоб модель остаточно затверділа, і лише потім знімати її. Ціна ті ж 10 тисяч рублів за кілограм.

Звичайно, всі зазначені вище ціни є лише орієнтиром: вони можуть змінюватися як з часом, так і від продавця до продавця, особливо якщо замовляти за кордоном.