На сегодняшний день широко распространены две основных технологии настольной 3D печати:
- моделирование методом послойного наплавления (FDM);
- стереолитография (SLA).
В технологии FDM для создания модели пластмассовая нить проходит через сопло принтера, в котором она плавится и выливается послойно на стол для печати. Технология SLA, создает слои из фотополимерной смолы, которая затвердевает под лучами лазера определенной частоты. Эти два типа печати используют различные материалы. FDM принтеры используют нити из пластика, а SLA принтеры – фотополимерные смолы.
Для FDM принтеров пластмассовая нить может быть диаметром – 1,75 мм и 2,85 мм. Очень важно учитывать этот параметр расходных материалов, так как использование неправильных расходников может повредить Ваш 3d принтер.
Каждый FDM принтер отличается такими характеристиками как: температура плавления, скорость печати, функциональные возможности.
Фотополимерная смола – это расходный материал для трехмерной печати по технологии SLA. Она вязкая, жидкая и поставляется в бутылках, в то время, как пластик для FDM печати продается мотками пластмассовой нити. Большинство фотополимерных смол совместимы с любыми SLA принтерами. Для выбора типа смолы нужно определиться с назначением объекта, который вы хотите создать.
Мы расскажем Вам о 4 вариантах 3д печати в зависимости от назначения итоговой модели, чтобы Вам было легче подобрать нужные расходные материалы.
Создание нефункциональных прототипов и изделий: Если Вы - 3D проектировщик, который хочет напечатать точные модели или человек, увлеченного своим хобби, который решил заняться 3д моделированием.
Создание функциональных прототипов: Если Вы собираетесь производить функциональные прототипы, которые моделируют структуру материала, подходит для создания конечного продукта.
Создание предметов искусства и дизайна: Если Вы - 3D дизайнер или человек, увлеченный своим хобби, который любит экспериментировать с различными материалами, их свойствами и структурой.
Создание специализированных прототипов: Если Вы - дантист, ювелир, инженер или художник, который использует специализированные материалы для таких отраслей, как стоматология, ювелирное дело, электроника.
Не имеет значения – новичок вы в 3д печати или являетесь опытным пользователем, экспериментирующим со свойствами печати и формами моделей – эта статья поможет Вам узнать больше о возможностях вашего гаджета.
Печать нефункциональных прототипов и изделий
PLA пластик (полилактид)
Полилактид сделан из биоматериалов, таких как кукурузный крахмал, сахарный тростник и корень тапиоки, которые делают его биоразлагаемым и безопасным. Когда он нагревается, вы почувствуете сладкий запах, подобный сахарному сиропу. В отличие от ABS PLA не токсичен, поэтому для принтера не требуется отдельное помещение или закрытая камера. Температура плавления у PLA ниже, чем у ABS пластика, поэтому для печати не требуется подогреваемый стол. Слои склеиваются очень прочно при печати, но получившаяся модель будет хрупкой и может разбиться при падении на пол. Если вам нужно напечатать деталь механизма, то лучше выбрать материал попрочнее.
HIPS пластик (Полистирол)
Полистирол, прежде всего, используется в качестве материала поддержки для печати ABS пластиком и в принтерах с двумя экструдерами. HIPS это отличный материал поддержки, потому, что он легко растворяется в лимонене. Это свойство позволит быстро и не трудозатратно удалить материал поддержки с вашей модели. Это идеальный материал для печати проектов, у которых есть нависающие края или сложные элементы.
PET (полиэтилентерефталат)
Полиэтилентерефталат - гибкий и крепкий материал для технических и прочных моделей. Он химически стойкий и не поглощает воду, как большинство других расходных материалов. Ценовой диапазон у него такой же, как у PLA и ABS пластика, по физическим свойствам похож на ABS, но может быть распечатан без подогреваемого стола и печатается при температуре 220-250 градусов С. Слои связываются прочно, что позволяет использовать его в механических деталях, беспилотной авиации и носимой технике.
SLA (Фотополимерная смола)
Смола отлично подходит для создания прототипов, которые не будут подвергаться интенсивному физическому контакту при частом использовании. Смола поставляется в широком цветовом диапазоне и прототипы из нее печатаются гладкими. SLA принтеры способны создавать детализированные прототипы. Часто их используют инженеры или дизайнеры, которым больше важен внешний вид, а не прочность модели.
Печать функциональных прототипов
ABS пластик (акрилонитрилбутадиенстирол)
ABS пластик имеет более высокую точку плавления, чем другие расходники, поэтому для печати необходим подогреваемый стол, чтобы избежать деформирования модели. Он немного прочнее, чем PLA, поэтому, если вы ищете материал для изготовления крепких моделей, вам подойдет ABS. Его прочность и гибкость сделают Ваш прототип долговечным, но этот материал разрушается под ультрафиолетовыми лучами, поэтому плохо подходит для изделий наружного использования. Во время печати ABS пластиком выделяются токсичные пары, поэтому он требует хорошей вентиляции и закрытого корпуса принтера.
Carbon Fiber PLA (полилактид с добавлением углеродного волокна)
Этот материал популярен благодаря своей прочности и гибкости. Нить состоит на 15 % из углеволокна, остальная часть – PLA пластик. Нить может быть очень хрупкой, поэтому нужно быть осторожным при загрузке ее в принтер. Прочность материала отлично подходит для печати дронов, радио управляемых машин, пропеллеров и корпусов к различным устройствам. Из-за добавления углеродного волокна для печати таким материалом подходят экструдеры с увеличенным соплом от 0,04 мм и больше.
Nylon (полиамид)
Нейлон – это износостойкий материал с высокой прочностью и гибкостью. Нейлон очень эластичный, благодаря этому подходит для создания тонких моделей. Слои соединяются максимально прочно если сравнивать со всеми материалами, используемыми для FDM-печати. Некоторые типы нейлона используются в медицинских устройствах, игрушках, и в изделиях которые соприкасаются с пищей. Для хранения полиамида нельзя использовать влажные помещения.
Flexible Filament (TPE and TPU)
Гибкая нить Filaflex , как правило, делается из полиуретана или полиэтилена. Это сложный материал для печати, т.к. нить имеет привычку застревать в экструдере, что приводит к поломке модели. Для лучшего результата рекомендуется печатать на экструдерах с прямой загрузкой и при высоких температурах. Уменьшение скорости печати также снижает риск повреждения модели принтером.
SLA (Жесткая смола)
Эта смола подойдет для создания гибких и прочных моделей. Как и ABS пластик, смола – хороший материал для бытовых изделий и запчастей к ним. Она выдерживает сильные нагрузки.
Flexible Resin (гибкая смола)
В технологии печати SLA используется также гибкая смола, которая позволяет печатать гнущиеся функциональные объекты. Можно напечатать различные эргономичные приспособления, такие как ручки или захваты. Несмотря на то, что принтеры FDM иногда требуют специальных сопел для печати гибкой нитью, принтеры SLA не требуют никаких специальных дополнений для печати с гибкой смолой.
High Temperature Resin (Высокотемпературная смола)
Компания Formlabs выпустила материал, который плавится при температуре 289 С при давлении 45 Мпа, что делает его самым высокотемпературным материалом на рынке при таком давлении. Этот материал прекрасно подходит для форм прототипов, для хозяйственных нужд и форм для горя чих жидкостей.
Durable Resin (прочная смола)
Высокопрочная и износостойкая смола, которая выдерживает серьезные нагрузки и по свойствам похожа на полипропилен. Этот материал отлично подходит для прототипов, которые можно использовать в хозяйстве, и деталей, которые подвергаются износу - например, шарниры и подшипники.
Создание предметов искусства и дизайна
Wood Filament (деревянная нить)
Нити Woodfill и Laywood состоят из пластмасс, волокон дерева и полимеров, которые позволяют работать с нитью на принтере с настройками, как для PLA пластика. Это позволяет эмитировать деревянную структуру по ощущениям. Поскольку деревянная нить основана на PLA пластике - для печати не требуется подогреваемый стол. Вы можете изменять цвет материала, меняя температуру печати. Это можно использовать, создавая эффект колец, как у настоящей древесины.
Thermo Temperature Changing PLA (термохромная нить, меняющая цвет)
Этот материал меняет цвет, когда температура повышается или падает. Есть различные варианты изменения цвета, например, от синего до зеленого, от серого до белого и другие. Материал сделан на основе PLA и не требует подогреваемого стола. Есть также материал, который изменяет цвет при воздействии света. Термохромный пластик может найти интересное применение при изготовлении чехлов для смартфонов и потребительских товаров.
Metal Filled PLA (Pla c металлическим порошком)
Пластик с добавлением металлического порошка. Четыре самых популярных металлических добавки: бронза , медь , сталь и железо. Металлический порошок делает пластик в 4 раза тяжелее по сравнению с обычным PLA. После печати модель выглядит как железная и на ощупь тоже напоминает металл, но все же требует дополнительной пост обработки, чтобы достичь нужного эффекта. До обработки модель из PLA с металлическим порошком тусклая и цель постобработки – поднять частицы металла на поверхность изделия.
Создание специализированных прототипов для медицинских, ювелирных и инженерных целей
Conductive PLA (токопроводимый пластик)
Такой материал годится для приспособлений с низким напряжением электрического тока. Примерами использования могут быть конструкторы Ардуино и светодиоды. Несмотря на то, что материал достаточно крепкий он не должен использоваться под тяжелыми нагрузками. Проводящий PLA может быть добавлен в обычный, например, если вы хотите создать контактную схему внутри пластикового изделия.
Castable Resin (детализированная смола)
Этот материал для используется в SLA печати для высоко детализированных моделей. Смоделируйте деталь в CAD, напечатайте ее, и используйте, как парафиновую форму для литья. Такой материал сжигается с минимальным количеством пепла или остатка, что делает его идеальным для ювелирной промышленности и стоматологии.
Ceramic Resin (керамическая смола)
Керамическая смола – хороший выбор для художников или людей, которым нужны термоустойчивые модели. Процесс печати подобен другим смолам, но после того, как модель будет готова, Вы сможете обжечь ее и глазировать.
Biocompatible Resin (Биологически совместимая смола)
Есть много различных биологически совместимых смол на рынке с различными сертификатами. Эти материалы могут использоваться для создания точных индивидуальных копий частей тела или органов пациентов для увеличения точности во время операции и скорейшего выздоровления больного.
Источник https://pinshape.com
Стереолитография или SLA (от Stereolithography) одна из наиболее известных и точных технологий 3Dпечати. Она была разработана одной из первых: Чарльз Холл в 1983 году получил авторский патент, а еще через два года основал компанию, которая сегодня является флагманом в мире 3D-технологий - 3DSystems.
Принцип работы SLA печати
Строительным материалом втехнологииSLAявляется фотополимерная смола, которая имеет свойство затвердевать под воздействием специального излучения. Для того чтобы начать процесс 3D-печати сначала необходимо компьютерную модель с помощью программного обеспечения «порезать» на тонкие горизонтальные слои, точная геометрическая форма коих будет сохранена в виде так называемого g-кода, который понятен для SLA3Dпринтера. Далее эти данные с компьютера отправляются на устройство прототипирования.
Традиционная конструкция 3Dпринтера, работающего по технологии SLA, приведена на рисунке выше. Первоначально камера построения (ванна) заполнена фотополимерным жидкимматериалом, а рабочая платформа находится в нескольких микронах от поверхности жидкости. При помощи подвижной системы линз и зеркал сфокусированный луч начинает перемещаться по поверхности платформы, описывая каждую линию будущего изделия, при этом фотополимер отвердевает. После завершения процесса рабочая платформа опускается, сверху по ней проходит разравниватель, который наносит вязкий фотополимер тонкойпленкойна поверхностьдетали и лазер обрисовывает очередной слой.
После окончания построения детали ее могут помещать в специальную жидкость для очистки. Также, как правило, в целях сокращения времени прототипирования при построении степень полимеризацию не доводят до 100 %, поэтому зачастую готовое изделие дополнительно помещают в камеру «дооблучения», где на него воздействуют более мощным световым потоком. Стоит отметить, что точность изготовления моделей может находиться на неимоверно высоком уровне, ведь толщина слоя в некоторых 3D-принтерах достигает 10 микрон!
Технологии на основе стереолитографии
Стереолитографию, как и другие перспективные технологии 3D печати, за 30 лет существования пытались всячески усовершенствовать. Сегодня скопилось неимоверное количество полных клонов и частичных двойников SLA технологии, такая картина связана с нежеланием использовать чужие патенты. Если же рассматривать существенные отличия, то стоит выделить, пожалуй, только одну технологию, использующей для засветки ультрафиолетовые DLP проекторы, которые проецируют на поверхность смолы не тонкий луч, а сразу все изображение слоя.
Совсем недавно изобретатели в компании Carbon3D, используя DLP 3D принтер,смогли достичь ранее невозможной для стереолитографии скорости печати, время построения уменьшилось от 20 до 100 крат! Свою технологию они назвали CLIP (Continuous Liquid Interface Production). Революционной оказалась идея проецирования изображений слоев не отдельными картинками, а анимацией (как мультик). При этом и платформа двигается не мелкими шагами с остановками, а непрерывно, синхронно с показом «мультика». На видео ниже можно посмотреть, как модель, на производство которой раньше ушли бы часы, сегодня выращивается за 6 минут.
Используемые материалы и сферы их применения
В стереолитографии для печати на 3Dпринтерах используются фотополимерные смолы. В связи с тем, что технология печати довольно сложная, а характеристики различных устройств прототипирования могут значительно отличаться очень часто для печати на принтере конкретной компании может использоваться только смола этого же производителя. Поэтому, выбирая SLA 3D принтер, нужно быть очень внимательным к перечню поддерживаемых материалов и их свойствам.
Среди всех характеристик различных материалов внимание нужно уделить следующим их свойствам:
- Прочность. Имеет множество направлений: изгиб, разрыв, твердость при нажатии.
- Степень усадки. Чем она больше, тем сильнее внутренние напряжения в готовой модели и тем более она подвержена разрушению при физическом воздействии в направлении слоев.
- Эластичность. Существуют материалы, неплохо имитирующие резину.
- Срок жизни. Фотополимерные свойства смолы подразумевают химическую реакцию под воздействием солнечного света. Некоторые SLA-смолы не живут дольше 1 года, другие же (особенно с наполнителями) могут служить намного дольше.
- Токсичность. При контакте с кожей некоторых смол как в жидком, так и в твердом виде может возникать небольшое раздражение.
- Время засветки. Одна из основных характеристик в стереолитографии, влияющих на возможность использования смолы на том или ином 3D-принтере.
- Спектр засветки. Есть SLA-смолы, хорошо реагирующие на обычный белый свет. Хранение их нужно производить исключительно в темном и прохладном месте.
- Образование гари при выжигании. Эта характеристика имеет значение при создании выжигаемых мастер-моделей в ювелирной и стоматологической сферах, в которых DLPи SLA 3D принтеры наиболее часто используются.
Небольшой обзор популярных моделей 3D-принтеров
На сегодняшний день уже несколько российских компаний успешно выпускают и продают собственные аппараты, работающие по технологии стереолитографии, одна из которых (Мастерская Чурюмова) даже поставляет их в виде конструктора «Сделай сам» (DIY-kit). Что касается многочисленных западных аналогов, то, во-первых, стоимость большинства из них исчисляется миллионами (например, ProJet 6000 HD стоит 23 041 000 руб.), а во-вторых, их практически нет в России. Ниже представлена таблица с основными характеристиками и ориентировочными ценами.
Лазерная стереолитография (SLA) - технология 3D-печати, основанная на послойном отверждении жидкого материала под действием луча лазера. Используется в промышленных 3D-принтерах компаний 3D Systems и Uniontech.
Фотополимер - это вещество, изменяющее свои свойства под воздействием ультрафиолетового света. В обычном состоянии фотополимер податливый, а при попадании под УФ-излучение электромагнитного диапазона приобретает прочность. Продолжительность облучения и длина волны рассчитывается в зависимости от конкретного материала, размеров объекта и условий окружающей среды.
Принцип работы
В емкость с жидким фотополимером помещается сетчатая платформа, на которой будет происходить выращивание прототипа. Изначально платформа устанавливается на такой глубине, чтобы ее покрывал тончайший слой вещества, толщиной всего 0.05-0.13 мм - по сути это и есть толщина слоя в лазерной стереолитографии. Далее включается лазер, воздействующий на те участки полимера, которые соответствуют стенкам заданного объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается ровно на один слой, то есть на глубину 0.05-0.13 мм.
По завершению построения объект погружают в ванну со специальным составом для удаления лишних элементов и полной очистки. И, наконец, финальное облучение светом для окончательного отвердевания. Как и многие другие методы 3D-прототипирования, SLA (лазерная стереолитография) требует возведения поддерживающих структур, которые вручную удаляются по завершении строительства.
Преимущества и особенности технологии
- Изготовление моделей любой сложности (тонкостенные детали, мелкие детали);
- Легкая обработка изготовленного прототипа;
- Высокая точность построения и высокое качество поверхности;
- Свойства применяемых полимеров позволяют использовать выращенный прототип в качестве готового изделия;
- Большие, чем у других 3D-принтеров, размеры рабочей камеры;
- Низкий процент расходного материала на поддержку;
- Низкий уровень шума производства деталей.
Большинство 3D-принтеров, работающих по технологии SLA, создают объекты размером примерно 50x50x60см, но есть и исключения. Американская компания 3D Systems создала аппарат , способный создавать объекты размером значительно больше классических - 1500х750х550мм, что раскрывает новые горизонты применения данной технологии.
Области применения
- Научные исследования. Поскольку получить пластиковую модель практически любой сложности для любых целей можно в считанные часы, SLA-технология становится незаменимым помощником в различного рода научно-исследовательских изысканиях. Модели обладают достаточной прочностью, а также прозрачностью, поэтому имеется возможность визуализации газо- и гидродинамических потоков внутри моделей.
- Медицина. В челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии с появлением SLA сформировалось новое направление. Пациенту делают магниторезонансную томографию проблемного участка, из нее формируется компьютерная 3D-модель, а по ней выращивается реальная 3Д-модель костной ткани. Таким образом, доктор уже на следующий день имеет в своем распоряжении модель костей или зубов реального пациента.
- Искусство. Скульпторы, модельеры и ювелиры благодаря технологии лазерной стереолитографии выходят на новый уровень производства. Процесс 3D-печати прототипов значительно уменьшает время на тестирование экспериментальных образцов, что благоприятно влияет на скорость и качество создания будущего ювелирного изделия или скульптуры. SLA-технология очень хорошо подходит для этого: модели прочные, легко красятся.
- Литье по выжигаемым моделям. При возникновении потребности в получении металлической детали, применяется следующая технология: SLA-модель заливается формовочной смесью, затем прокаливается при высоких температурах (до 1000 °С). При этом пластик полностью выгорает, а на его место в образовавшуюся форму под вакуумом заливается металл. После его застывания форма разрушается и деталь извлекается.
Образцы моделей, напечатанных по технологии SLA
На сегодняшний день существует несколько технологий засвечивания полимера в фотополимерных принтерах процесса «полимеризация в ванне».
Но из них можно выделить три основных:
1) Классический SLA принтер с засвечиванием лазерным лучом (далее по тексту - SLA-принтер).
Лазерный луч через систему развертки (которая может быть реализована различными способами) засвечивает фотополимер, последовательно «оббегая» ванну. Модель формируется за счет включения-отключения лазера.
2) Принтер с засветкой фотополимера при помощи DLP-проектора (далее по тексту - DLP-принтер)
Фотополимер засвечивается DLP-проектором, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
3) Принтер с засветкой фотополимера светодиодной УФ-матрицей с использованием в качестве маски доработанный LCD-дисплей (далее по тексту - LCD-технология).
Фотополимер засвечивается светодиодной матрицей, изображение формируется за счет LCD-дисплея, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
Если отличия классической LSA технологии от DLP и LCD очевидны, то DLP и LCD-технологии засвечивания часто путают, что неправильно, т.к. каждая из этих технологий имеет свои особенности, которые влияют на возможности принтера, качество печати, и т.п.
Ниже дано краткое сравнение этих трех технологий по ряду параметров.
1. Размер области печати по XY
SLA-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость (лучу надо успеть «оббежать» большую площадь.
DLP-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость печати и ниже разрешающая способность принтера.
LCD-принтер - область печати жестко привязана к размеру LCD-дисплея.
2. Скорость печати
SLA-принтер - самый «медленный» из трех технологий. Связано это с последовательной засветной и низкой мощностью лазера.
DLP-принтер - самый «быстрый», связано с высокой мощностью проектора.
LCD-принтер - «средний» по скорости печати. Скорость печати связана с мощностью УФ-матриц. Мощность матрицы увеличивать бесконечно нельзя, т.к. мощные матрицы требуют мощного охлаждения, и начинают «пробивать» «трафарет» из LCD-дисплея.
SLA-принтер - минимальная
DLP-принтер - максимальная. Высокая засветка связана как с большой мощностью ламп проектора, так и с большей долей длинноволнового актиничного излучения в спектре.
LCD-принтер - средняя.
SLA-принтер - минимальная.
DLP-принтер - при правильной наводке на резкость - минимальная, но выше, чем у SLA.
5. Возможность использования прозрачных полимеров.
SLA-принтер - возможно использование без снижения качества печати.
6. Влияние окраски полимера на качество печати
SLA-принтер - несколько улучшает качество печати, использование сильноокрашенных полимеров может привести к снижению адгезии между слоями и невозможности использования полимера.
7. Факторы, влияющие на разрешающую способность (помимо свойств полимера и толщины слоя)
SLA-принтер - диаметр пятна лазера и точность позиционирования пятна. Типичные значения 100-200 мкм (для пятна лазера), 40…20 мкм (точность позиционирования)
DLP-принтер - размер пикселя и точность наводки на резкость. Типичное разрешение 1920х1080, соответственно размер пикселя зависит от области печати по XY.
8. Совместимость с полимерами.
SLA-принтер - плохая совместимость, полимеры могут не подойти под конкретный принтер из-за сильной окраски, и из-за «быстроты» (слишком «быстрые» или слишком «медленные»).
DPL- и LCD-принтеры - хорошая совместимость. Практически любой полимер, разработанный для LCD- и DLP-принтеров может быть использован на любом принтере. В целом DPL-принтер «любит» более окрашенные полимеры, а LCD-принтер - более «быстрые». Использование полимеров, разработанных для SLA-принтеров так же возможно, но требует проверки по каждому полимеру.
9. Ресурс отдельных элементов.
SLA-принтер - лазер - ресурс 3000 - 5000 и более часов.
DLP-принтер - лампа проектора, ресурс - несколько тысяч часов
LCD-принтер - LCD-экран - ресурс около 1000 часов, УФ-матрица - ресурс несколько тысяч часов.
10. Цена
SLA-принтеры - цены на бюджетные модели цена в пределах 190 000 - 400 000 р, «профессиональные» — от 400 000 р и выше
DLP-принтеры - цены на серийно-выпускаемые - 300 000 р и выше, цена самоделок (не считая стоимости проектора) - не выше 50 000
LCD-принтеры - цена 25 000 -50 000 р.
SLA-принтер - возможно как сверху вниз, так и снизу вверх.
DLP-принтер - возможно как сверху-вниз, так и снизу вверх.
LCD-принтер - только снизу вверх.
Надеюсь этот краткий обзор позволит читателям портала лучше понять особенности прнтеров, которые влияют на их характеристики.
Современные фотополимерные принтеры 3D-принтеры: лазерные, DLP, LCD
