Автор: Василий Киселев, собственник и управляющий директор Top 3D Group 

Эта статья посвящена теме скоростной 3D-печати. В ней освещаются такие вопросы, как: возможно ли увеличить скорость печати, но не потерять в ее качестве, по каким технологиям делается такая печать, где и как применяется, а также  какие 3D-принтеры отличаются наиболее высокой скоростью печати. 

Введение

Использование 3D-печати дает возможность изготавливать объекты любой сложности по очень низкой себестоимости. Но есть один существенный недостаток — это медленный процесс. Например, при моделировании методом послойного направления (FFF/FDM) толщина слоя составляет от 0,1 до 0,4 мм, и для создания детали высотой 10 см аппарат напечатает от 250 до 1000 слоев. При учете, что скорость 3D-принтеров варьируется от 30 до 150 мм/сек, для получения небольшой модели средней сложности потребуется от трех до одиннадцати часов. Для печати более крупных объектов понадобится несколько дней, даже если 3D-принтер работает днем ​​и ночью. И, в случае FDM-печати — чем выше будет скорость, тем больше будет страдать качество. Именно поэтому отдельные производители 3D-принтеров сконцентрировали усилия на увеличении скорости и разработали принципиально новые технологии ускоренной 3D-печати. Разберемся в них подробнее. 

 Технологии сверхбыстрой 3D-печати

Технология CLIP (Continuous Liquid Interface Production) принадлежит компании Carbon3D и представляет собой метод 3D-печати светоотверждаемыми смолами со скоростью в 20-100 раз выше, чем все другие существующие и доступные на рынке решения. Как и в широко известной стереолитографии (SLA) модели печатаются слой за слоем, однако это происходит непрерывно, что связано с использованием кислорода в качестве ингибирующего вещества. Таким образом, это не только повышает скорость 3D-принтера, но и устраняет слоистость в структуре принта.

Источник: https://www.autocarpro.in/

Аналогичная технология представлена компанией Nexa3d и носит название LSPc (Lactant Sublayer Photocuring). Принципиальных отличий от технологии CLIP нет, она также печатает с невероятной скоростью, используя свет и кислород для «роста» объектов. Но эта инновация в финансовом плане доступнее, чем высокоскоростная печать Carbon3D и предназначена для более широкого применения.

Источник: https://www.3dprintingmedia.network/

Далее — подробнее об обеих технологиях.

CLIP

Как объясняется на сайте Carbon3D, в основе технологии CLIP лежит химический процесс, при котором свет и кислород используются для селективного фотоотверждения жидкой смолы. Ультрафиолетовый свет вызывает полимеризацию и образование поперечных связей в смоле, что вызывает затвердевание. Кислород имеет противоположный эффект. Он останавливает образование полимеров в жидкой смоле и предотвращает затвердевание в этой области. 

Принцип работы принтера CLIP следующий: на дне контейнера с жидкой смолой находится прозрачное окно, проницаемое для кислорода и света. Под окном расположен проектор, излучающий ультрафиолет.

Ниже плоскости проецирования ультрафиолетового изображения создается так называемая «мертвая зона», в которой богатый кислородом слой не полимеризуется. Эта кислородсодержащая область отделяет печатаемую модель от окна, не давая полимеризующемуся пластику прилипнуть к нему, что позволяет проецировать слои один за одним, не делая между ними перерывы на отрыв модели от окна и поднятие ее для доступа в область печати следующей порции полимера, как в других технологиях стереолитографии. Этим и обусловлена высокая скорость печати по технологии CLIP.

Толщина мертвой зоны составляет всего несколько десятков микрометров. Смоле над мертвой зоной кислорода не достается и она полимеризуется, когда на нее падает свет, образуя твердое вещество в соответствии с формой проецируемого УФ-изображения. Образуемая модель медленно вытягивается из жидкости по мере ее формирования.

Источник: https://www.aniwaa.com/

Как только объект напечатан, он “запекается” в печи с заданной температурой и принудительной циркуляцией воздуха. Это вызывает новую химическую реакцию, которая укрепляет объект. Процесс известен как термическое отверждение. Считается, что процесс двойного отверждения, применяемый в технологии печати CLIP, позволяет получить материал инженерного качества.

Скорость и качество

В процессе построения модели платформа высокоскоростного 3D-принтера непрерывно поднимается по мере роста объекта, не требуя механических движений конструкции, как в печати FFF или SLA. Таким образом проецируется непрерывная последовательность и объект печатается без остановки, что делает его более качественным — исключается влияние кинематики на точность составления слоев и переход между ними нивелируется.

Источник: https://www.futuretimeline.net

По технологии CLIP модель печатается в 25-100 раз быстрее, чем при обычных методах 3D-печати. В доказательство этому Carbon3D на своем сайте представил сравнительные графики.

Технология CLIP представлена двумя моделями серии М: Carbon М1 и Carbon М2. Область печати М1 составляет 144х81х330 мм, М2 – 190х118х326 мм. Данные 3D-принтеры могут подключаться к сети Интернет для загрузки обновлений. Посредством сети также происходит мониторинг и сбор данных компанией – таким образом производитель обещает улучшить качество своих услуг, а в случае ошибок со стороны принтера — оперативно их устранить.

Применение

3D-принтеры CLIP стоят внушительно, однако ими быстро заинтересовались многие крупные компании, такие как Adidas, Ford, Resolution Medical Inc - производитель медицинского оборудования в Миннеаполисе, TruVenture Composites LLC и т.д. 

Быстрое распространение технологии объясняется точностью и скоростью, с которыми на новом оборудовании можно создавать высококачественную продукцию, себестоимость которой меньше, чем детали произведенные традиционным способом. Рассмотрим несколько наиболее наглядных кейсов применения 3D-принтеров CLIP.

Adidas

Производитель товаров для спорта Adidas в начале 2018 года провел тестирование 3D-обуви на рынке, выпустив серию «Futurecraft» с подошвой напечатанной 3D-принтером Carbon3D. Несмотря на то, что это была только проверка концепции, а сама пара кроссовок стоила около $300, партия была немедленно распродана. Такой успех позволил ввести разработку в массовое производство. Позже проект эволюционировал и стал называться ALPHAEDGE4D.

По словам представителей компании Adidas, массовое использование 3D-печати сокращает время ввода нового продукта в производство в девять раз; уменьшается и время создания каждой детали — текущее время производства одной подошвы составляет 90 минут, в то время как принтеры Carbon сокращают его до 20 минут.

В данный момент Adidas разрабатывает свою собственную производственную сеть автоматизированных заводов «Speedfactory» с 3D-принтерами Carbon. По подсчетам компании, объем выпускаемой продукции будет достигать полумиллиона пар в год.

Источник: https://3dprintingindustry.com/

Ford

Всемирно известная автомобильная компания Ford в начале 2019 продемонстрировала образцы серийных деталей для автомобилей, которые были напечатаны на 3D-принтере Carbon. Первыми моделями, созданными по технологии CLIP, стали запчасти для систем отопления, вентиляции и охлаждения Ford HVAC, вспомогательные заглушки Ford F-150 Raptor и кронштейны электрического стояночного тормоза Ford Mustang GT500.

Источник: https://3dprintingindustry.com/

При помощи принтеров Carbon3D Ford также производит эластомерные втулки для Focus Electric, которые защищают проводку внутри двери автомобиля от повреждений при открытии и закрытии двери. Эти детали протестировали и сравнили с аналогами. Созданные 3D-принтерами Carbon образцы были изготовлены на 66% быстрее, чем по другим технологиям 3D-печати, и сохранили качество деталей получаемых традиционными методами производства.

Еще одно наглядное преимущество 3D-технологий: уже в процессе производства Ford столкнулся с серьезной инженерной ошибкой. При установке двигателя V8 в конструкцию кузова нового автомобиля было выявлено, что крышка маслозаливной горловины стала недоступной из-за того, что двигатель был слишком низким и находился далеко под капотом. Используя прототип напечатанный принтером Carbon3D, команда разработчиков быстро изготовила соединитель для заливки масла и избежала дорогостоящей переделки на стадии конструирования автомобиля.

Вывод

Carbon3D имеет интересную бизнес-модель: компания никому не продает свои 3D–принтеры напрямую. Вместо этого желающие арендуют машины по принципу абонентской подписки. Компания объясняет это заботой о клиенте, и поясняет, что при таком подходе пользователю не нужно беспокоиться о том, что машина устареет через несколько лет, потому что подписку можно отменить. Обновления программного обеспечения для машин предоставляются компанией в режиме реального времени, осуществляется техническая поддержка пользователей.

Согласно сайту Carbon3D, по состоянию на январь 2018 года, подписка на 3D-принтер M1 стоила 40 000 долларов в год, а подписка на M2 - 50 000 долларов в год. Заплатив, помимо 3D-принтера пользователь получит оборудование для промывки и отжига. Дополнительно оплачивается установка принтера, обучение работе на нем и расходные материалы.

В результате, рационально будет использование 3D-принтеров Carbon3D только при заведомой окупаемости, т.к. они требуют постоянных и немалых вложений, а возможна их эксплуатация только в тех регионах, где доступны сервисы компании.

Несмотря на все преимущества технологии CLIP, мы не можем рекомендовать продукцию Carbon3D всем, лучше всего она подойдет крупным производственным предприятиям, которые находятся не слишком далеко от офисов производителя.

LSPc

Ключевой особенностью принтеров компании Nexa3D является технология LSPc, или Lubricant Sublayer Photocuring, похожая на технологию Carbon3D, но отличающаяся в деталях. Ее главные особенность: скорость печати составляет до сантиметра в минуту, что, по сравнению с технологиями FDM и SLA, в разы сокращает время на создание объекта.

Источник: https://www.3ders.org/

Компания Nexa3D утверждает, что их технология делает 3D-печать пригодной для использования в повседневных условиях, благодаря упрощенному процессу заправки. На выставке CES 2019 Nexa3D продемонстрировала 3D-принтеры с LSPc-технологией: NXE400, с объемом печати 16 л, и семилитровый NXE200. Стоимость аппаратов варьируется от 19 950 долларов США за 7-литровый принтер, до 49 950 долларов США за 16-литровый. В комплект входят фирменные картриджи и пара самосмазывающихся пленок.

Особенности технологии

Технология LSPc отличается от традиционных методов печати “слой за слоем”, используемых в 3D-принтерах DLP и SLA, и больше всего похожа на CLIP, хоть и реализована иначе. В конструкции имеется прозрачная самосмазывающаяся пленка, расположенная между дном резервуара с фотоотверждаемой смолой и печатаемой моделью, а засветка производится фирменной структурированной матрицей световода.

Самосмазывающаяся пленка тут играет ту же роль, которую в CLIP выполняет слой насыщенный кислородом — не дает модели прилипать к дну емкости и делает процесс печати непрерывным, что дает те же преимущества — отсутствие промежуточных подъемов модели, высокую скорость и точность, отсутствие видимого перехода между слоями.

Благодаря использованию запатентованных структурированных световых трубок и отсутствию наслоения, помимо резкого увеличения скорости 3D-печати, технология LSPc также обеспечивает высокий уровень точности по осям XY и Z. Как утверждают разработчики, принтеры Nexa3D подходят как для создания промышленных прототипов, так и для мелкосерийного производства. Аппарат снабжен интуитивно понятным программным обеспечением, при помощи которого задаются все необходимые параметры печати. Скоростные 3D-принтеры LSPc имеют встроенные датчики для оптимизации производственных показателей, позволяющие избежать технических ошибок и обеспечить непрерывную качественную печать. Специальные алгоритмы позволяют принтеру нарезать, оптимизировать и адаптивно компилировать модели сложной геометрии со стабильной скоростью и высоким разрешением.

Система LSPc оборудована сменными картриджами для полимера, благодаря которым исключается необходимость заправок во время печати, что особенно актуально при создании масштабных моделей.

Применение

Принтеры Nexa3D могут работать с материалами различного назначения, с разным составом обеспечивающим разные свойства, потому они нашли широкое применение в области аэрокосмической промышленности, производстве автомобилей, потребительских товаров, электронной техники и многого другого. Рассмотрим некоторые из них подробнее.

Стоматология и протезирование

В начале 2019 года, на выставке International Dental Show (IDS) в Кёльне, компания Nexa3D с крупным немецким производителем стоматологического оборудования BEGO представили крупномасштабный 3D-принтер Varseo XL. Он предназначен для печати хирургических инструментов, поддонов, перманентных реставраций, мостов и коронок из стоматологических фотополимерных смол. Эта же модель, по лицензии Nexa3D, выпускается не менее известной компанией XYZprinting под названием MfgPro1600 xPF.

Заявленная скорость 3D-принтера составляет до 1 см/мин по вертикали или 2700 куб.см модели в час, что в шесть раз быстрее стоматологических 3D-принтеров, работающих по технологиям FDM и SLM. При этом Varseo XL поддерживает в пять раз большую площадь печати, чем у большинства фотополимерных 3D-принтеров. Вместе это дает прирост производительности более 10 раз. Благодаря этим возможностям, BEGO назвал эту систему «самым производительным и экономичным 3D-принтером для стоматологии».

Источник: https://3dprintingindustry.com/

Автомобильное производство

Nexa3D расширила свое присутствие в автомобильной промышленности, присоединившись к программе открытых инноваций Techniplas, которая является ведущим мировым поставщиком дизайна и одним из производителей автомобильных продуктов и услуг. Одна из задач программы — объединение представителей 3D-индустрии для развития технологий производства. Nexa3D экспонировалась на выставке CES с другими компаниями 3D-печати в рамках расширяющегося портфеля Techniplas.

Источник: https://www.3dprintingmedia.network

Вывод

В целом, LSPc имеет хорошие перспективы. Технология поможет резко сократить циклы 3D-печати, от часов до минут. Цены на LSPc 3D-принтеры ниже, чем на принтеры с технологией CLIP, это оборудование в принципе доступнее и способно заинтересовать владельцев малого и среднего бизнеса. Это наиболее рекомендуемый вариант оборудования для скоростной 3D-печати на сегодняшний день. Еще один альтернативный вариант рассмотрим ниже.

SLS

В качестве альтернативы технологиям скоростной стереолитографии LSPc и CLIP предлагаем рассмотреть выборочное лазерное спекание, также известное как селективное лазерное спекание (SLS). Оно является одной из самых универсальных и часто используемых технологий 3D-печати. Изготовленные методом SLS детали используются повсеместно, в самолетах, машинах, телефонах и т.д.

Источник: https://all3dp.com/

Описание технологии

Еще в 1980-х годах, в Техасском университете в Остине, доктор Карл Деккард и доктор Джо Биман разработали и запатентовали производственный процесс, который называется селективное лазерное спекание (SLS). Это был один из первых методов 3D-печати, и более 35 лет спустя эта технология все еще совершенствуется и развивается.

Селективное лазерное спекание (SLS) — это процесс аддитивного производства, при котором слой порошка нагревается лазером. Лазерный луч выборочно спекает частицы полимерного порошка, соединяя их послойно, пока не будет изготовлена заданная 3D-модель.

Традиционно разработанный для спекания пластиковых материалов, SLS был адаптирован для работы с металлами, стеклом и композитами. Поэтому термин SLS применяется для описания процессов 3D-печати спеканием слоев порошка разных материалов, а не только нейлона, как в большинстве случаев.

Напечатанная методом SLS 3D-модель требует последующей обработки. После завершения печати, деталь остается внутри камеры наполненной не спеченным порошком. Контейнер должен остыть, прежде чем деталь можно будет вытащить, и этот процесс охлаждения может занимать до 12 часов.

После того, как деталь остынет и будет извлечена из сборочной камеры, ее необходимо очистить от лишнего порошка. Неспеченный порошок, оставшийся в процессе печати, можно собрать и использовать повторно.

За последние несколько лет, благодаря появлению настольных SLS-принтеров, на рынке 3D-печати произошла настоящая революция — компактные 3D-принтеры, в отличие от своих промышленных аналогов, намного доступнее для потребителей и малых предприятий, у которых ограничен бюджет или отсутствует место для промышленной системы SLS.

Преимущества и недостатки

Как и в любом производственном процессе, в SLS 3D-печати есть свои преимущества и недостатки. Поэтому, прежде чем вы решите инвестировать в 3D-принтер SLS, нужно рассмотреть его ключевые особенности.

Преимущества SLS:

1. Детали, изготовленные по технологии SLS, обычно имеют изотропные механические свойства, что делает их идеальными для функциональных прототипов и деталей конечного использования. То есть, их свойства равномерны и предсказуемы, нет внутренних напряжений, характерных например для FDM-печатных деталей.

2. При использовании SLS в 3D-печати полимерами не требуется никаких опорных конструкций, что упрощает создание сложных геометрических форм и позволяет использовать при каждой печати весь объем рабочей камеры, тем самым значительно увеличивая производительность.

3. Полиамиды, которыми обычно печатает SLS-принтер для полимеров, обладают высокими механическими свойствами, т.е. хорошими прочностными характеристиками и износостойкостью, а потому хорошо подходят для изготовления функциональных деталей для непосредственного использования.

Например, методом SLS, из PA11 (полиамида 11, одного из сортов нейлона) изготавливают прочные корпуса для электроники и инструментов, велосипедные педали и другие детали, не уступающие произведенным традиционными методами.

Недостатки SLS:

1. SLS 3D-печать все еще относительно дорога и менее доступна, чем FDM и бюджетный сегмент стереолитографии, хоть и превосходит их по прочности принтов и производительности.

2. Работа с порошком может быть потенциально опасной, если не будут приняты надлежащие меры предосторожности.

3. Детали, изготовленные с помощью 3D-печати SLS, обычно имеют зернистую поверхность и требуют постобработки, если нужна гладкость.

4. 3D-принтеры SLS не способны воспроизводить большие плоские поверхности или небольшие отверстия из-за риска деформации модели.

Источник: https://medium.com/

Вывод 

Применение SLS является идеальным решением для производства функциональных продуктов со сложной геометрией. По сравнению с другими методами 3D-печати, технология имеет очень мало ограничений в конструкции модели и подходит для мелкосерийного производства. При этом, скорость печати SLS, хоть и уступает рассмотренным выше скоростным 3D-принтерам LSPc и CLIP, значительно превосходит технологии FDM и SLM, а стоимость SLS-принтеров вполне демократична и подходит даже для малого бизнеса.

Заключение

Высокая скорость 3D-печати дает возможность массово выпускать даже конструктивно сложные объекты высокого качества. Учитывая стоимость расходных материалов, выгода несомненна. 

Принтеры производства Carbon очень впечатляют скоростью и точностью печати, но стоимость эксплуатации 3D-принтера с технологией CLIP и бизнес-модель по которой он предоставляется и обслуживается подойдут немногим, для малого бизнеса это серьезный ограничивающий фактор. 

3D-принтеры с технологией LSPc доступнее — они продаются и не предполагают никаких подписок, что располагает. Но и они требуют недешевых проприетарных расходников и стоят достаточно дорого, а значит должны эксплуатироваться так, чтобы окупать себя, быть максимально загруженными, желательно 24/7. Малым предприятиям использование таких принтеров может быть невыгодно, по причине медленной окупаемости.

 Альтернативой станет 3D-печать SLS. Ранее она была почти не доступна, из-за громоздкости и дороговизны машин, но последние достижения привели к разработке более доступных и компактных моделей настольных 3D-принтеров SLS. 

Расходные материалы также не станут проблемой — полиамидные и другие полимерные порошки для лазерной 3D-печати выпускают многие производители, и сделать сырье проприетарным в данном случае не получится.

Теперь, приобретя принтер стоимостью менее миллиона рублей, вы получаете аппарат способный производить функциональные детали промышленного качества с хорошей скоростью, который быстро окупит себя и продолжит работать. 

Приобрести подходящий аппарат и расходные материалы можно в https://top3dshop.ru — розничном подразделении Top 3D Group, ведущего интегратора аддитивного оборудования в России. А также на сайте: https://top3dshop.com, если вы проживаете не в странах СНГ. 

Список используемых источников: 

1. AI & Robotics// [Электронный ресурс] : AI & Robotics  – Электрон. дан. – uturetimeline.net – Режим доступа: https://www.futuretimeline.net/blog/ai-robots-blog.htm (дата обращения: 02.07.2019).

2. 3D printers comparison // [Электронный ресурс] : 3D printers – Электрон. дан. – aniwaa.com – Режим доступа: https://www.aniwaa.com/comparison/3d-printers/ (дата обращения: 02.07.2019).

3. Consumer 3D Printing // [Электронный ресурс] : 3D Printing – Электрон. дан. – https://www.3dprintingmedia.network/ – Режим доступа: https://www.3dprintingmedia.network/category/consumer/ (дата обращения: 02.07.2019).

4. Catalog // [Электронный ресурс] : 3D Printers  – Электрон. дан. – top3dshop.com – Режим доступа: https://top3dshop.com/3d-printers/ (дата обращения: 02.07.2019).

5. Каталог // [Электронный ресурс] : 3D Printers  – Электрон. дан. – top3dshop.ru – Режим доступа: https://top3dshop.ru/kupit-3d-printer/   (дата обращения: 02.07.2019).