Технологии 3D-печати — Принципы, возможности, расходные материалы, цены

Технологий 3D-печати очень много, и регулярно появляются либо новые, либо модификации уже известных, поэтому мы не будем пытаться объять необъятное и подробнее расскажем лишь о наиболее интересных и распространенных. Начнем, конечно, со стереолитографии, которая исторически была самой первой.

Стереолитография (StereoLithography Apparatus, SLA)

Исходным продуктом является жидкий фотополимер, в который добавлен специальный реагент-отвердитель, и эта смесь напоминает всем известную эпоксидную смолу, только в обычном состоянии она остается жидкой, а полимеризуется и становится твердой под воздействием ультрафиолетового лазера.

Естественно, лазер не может сразу создать всю модель в толще полимера, и речь может идти только о последовательном построении тонкими слоями. Поэтому используется подвижная подложка с отверстиями, которая с помощью микролифта-элеватора погружается в фотополимер на толщину одного слоя, затем лазерный луч засвечивает области, подлежащие отверждению, подложка погружается еще на толщину одного слоя, вновь работает лазер, и так далее.

Не обходится и без существенных сложностей. Во-первых, требования к самому фотополимеру достаточно противоречивы: если он будет густым, то его легче полимеризовать, но сложнее обеспечить ровную поверхность после каждого шага погружения; приходится использовать специальную линейку, которая на каждом шаге проходит по поверхности жидкости и выравнивает ее. Большое количество отвердителя при фиксированной мощности лазера позволит уменьшить необходимое время воздействия, однако неизбежная фоновая засветка «портит» окружающий объем полимера и сокращает возможный срок его использования.

Во-вторых, полная полимеризация каждого слоя заняла бы немало времени, поэтому засветка производится до уровня, при котором слой приобретает лишь минимально необходимую прочность, а впоследствии готовую модель, предварительно промыв от остатков жидкого полимера, приходится облучать мощным источником в специальной камере, чтобы полимеризация достигла 100%.

Плюсы технологии понятны:

• можно получить очень высокое разрешение печати, т. е. достичь хорошей точности при изготовлении моделей, которая по вертикали зависит в основном от возможностей элеватора, погружающего платформу, и обычно составляет 100 мкм, а в лучших аппаратах и меньше, до 25–50 мкм; по горизонтали точность определяется фокусировкой лазерного луча, вполне реальным является диаметр «пятна» в 200 мкм; соответственно и качество поверхности даже без дополнительной обработки получается высоким;
• можно получать очень большие модели, размером до 150×75×55 см и весом до 150 кг;
• механическая прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100 °С;
• очень мало ограничений на сложность модели и наличие у нее мелких элементов;
• малое количество отходов;
• легкость финишной обработки, если таковая вообще потребуется.

Минусы:

• ограниченный выбор материалов для изготовления моделей;
• невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле;
• малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали;
• очень большие габариты и вес: так, один из SLA-аппаратов 3D Systems ProX 950 весит 2,4 тонны при размерах 2,2×1,6×2,26 м.

Хотя мы упомянули ограниченность спектра расходных материалов, но всё же выбор есть, и можно получать модели с разными свойствами: с повышенной термостойкостью, гибкие, с высокой стойкостью к абразивам. Правда, с цветами хуже: доступно очень ограниченное количество, включая белый, серый, а также полупрозрачный.

Но главный минус — высокая цена как самих принтеров (сотни тысяч долларов), так и расходных материалов (две-три тысячи долларов за 10-килограммовый картридж), поэтому сколь-нибудь массово SLA-аппараты не встречаются.

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Этот метод появился примерно в то же время, что и SLA, и даже имеет с ним много общего, только вместо жидкости используется порошок с диаметром частиц 50–100 мкм, тонкими равномерными слоями распределяемый в горизонтальной плоскости, а потом лазерный луч спекает участки, подлежащие отверждению на данном слое модели.

Исходные материалы могут быть самые разные: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошок наносится и разравнивается по поверхности рабочего стола специальным валиком, который при обратном проходе удаляет излишки порошка. Затем работает мощный лазер, спекающий частицы друг с другом и с предыдущим слоем, после чего стол опускается на величину, равную высоте одного слоя. Для снижения мощности лазера, необходимой для спекания, порошок в рабочей камере предварительно нагревается почти до температуры плавления, а сам лазер работает в импульсном режиме, поскольку для спекания важнее пиковая мощность, а не длительность воздействия.

Частицы могут расплавляться полностью или частично (по поверхности). Незапеченный порошок, остающийся вокруг отвердевших слоев, служит поддержкой при создании нависающих элементов модели, поэтому нет необходимости в формировании специальных поддерживающих структур. Но этот порошок по окончании процесса необходимо удалить как из камеры, особенно если следующая модель будет создаваться из другого материала, так и из полостей уже изготовленной модели, что можно сделать лишь после ее полного остывания.

Зачастую требуется финишная обработка — например, полировка, поскольку поверхность может получаться шероховатой или с видимой слоистостью. Кроме того, материал может использоваться не только чистый, но и в смеси с полимером или в виде частиц, покрытых полимером, остатки которого нужно удалить путем выжигания в специальной печи. Для металлов одновременно происходит заполнение возникающих пустот бронзой.

Поскольку речь идет о высоких температурах, необходимых для спекания, процесс происходит в азотной среде с малым содержанием кислорода. При работе с металлами это еще и предотвращает окисление.

Серийно выпускаемые установки SLS позволяют работать с достаточно большими объектами, до 55×55×75 см.

Габариты и вес самих установок, как и SLA, достаточно впечатляющие. Так, аппарат Formiga P100, изображенный на фото, при довольно скромных размерах изготавливаемых моделей (рабочая зона 20×25×33 см) имеет размеры 1,32×1,07×2,2 м при весе 600 кг, и это без учета таких опций, как установки для смешивания порошка и системы очистки-фильтрации. Причем работать P100 может только с пластиками (полиамид, полистирол).

Вариантами технологии являются:

1. Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM), которое используется для работы с чистыми металлами без примесей полимера и позволяет создать готовый образец за один этап.
2. Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) с использованием электронного луча вместо лазера; эта технология требует работы в вакуумной камере, но позволяет использовать даже такие металлы, как титан.

Встречаются и такие названия, как Direct Metal Fabrication (DMF), а также Direct Manufacturing.

Принтер SPRO 250 Direct Metal производства 3D Systems, который, как понятно из названия, может работать с металлами по технологии SLM, с рабочей камерой 25×24×32 см имеет размер 1,7×0,8×2 метра и вес 1225 кг. Заявленная скорость от 5 до 20 кубических сантиметров в час, и можно сделать вывод, что модель объемом со стакан будет изготавливаться минимум 10 часов.

Плюсы:

• широкий спектр материалов, пригодных для использования;
• позволяет создавать очень сложные модели;
• скорость в среднем выше, чем у SLA, и может достигать 30–40 мм в час по вертикали;
• может использоваться не только для создания прототипов, но и для мелкосерийного производства, в т. ч. ювелирных изделий;

Минусы:

• требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода;
• меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение: минимальная толщина слоя 0,1–0,15 мм (в зависимости от материала может быть и немного менее 0,1 мм); по горизонтали, как и в SLA, точность определяется фокусировкой лазерного луча;
• требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка;
• в большинстве случаев требуется финишная обработка.

Цена на установки SLS еще выше, чем SLA, и может достигать миллионов долларов. Однако отметим, что в феврале 2014 года истек срок патентов на технологию SLS, поэтому вполне можно спрогнозировать увеличение количества компаний, предлагающих подобную технику, а соответственно и заметное снижение цен. Тем не менее, вряд ли в ближайшие годы цены снизятся столь существенно, что SLS-печать станет доступной хотя бы малому бизнесу, не говоря уже о частных энтузиастах.

Поскольку материалы очень разнообразны, мы не приводим ориентировочных цен.

Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM)

Принтеры, основанные на данной технологии, выпускаются компанией 3D Systems. В связи с патентными ограничениями есть и названия, используемые другими производителями принтеров: PolyJet (Photopolymer Jetting, компания Stratasys), DODJet (Drop-On-Demand Jet, компания Solidscape). Конечно, отличия не только в названиях, но базовые принципы похожи.

Процесс очень напоминает обычную струйную печать: материал подается через сопла малого диаметра, расположенные рядами на печатающей головке. Количество сопел может быть от нескольких штук до нескольких сотен. Конечно, материал не является жидким при комнатной температуре: сначала он нагревается до температуры плавления (как правило, не очень высокой), затем подается в головку, наносится послойно и застывает. Слои формируются перемещением головки в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение при переходе к следующему слою, как и в предыдущих случаях, обеспечивается опусканием рабочего стола. В варианте DODJet добавляется этап обработки слоя фрезерной головкой.

В качестве материала для MJM-принтеров используют пластики, фотополимеры, специальный воск, а также материалы для медицинских имплантов, зубных слепков и протезов. Возможна и комбинация разных материалов: в отличие от предыдущих двух технологий, выступающие под большим углом элементы моделей или горизонтальные перемычки во избежание провисаний требуют применения поддерживающих структур, которые при финишной обработке приходится удалять. Чтобы не делать это вручную, можно применить для поддержек материал с меньшей температурой плавления, чем для собственно модели, и потом удалить его расплавлением в специальной печи. Другой вариант — использование для поддержек материала, который удаляется растворением в специализированном растворе, а порой и просто в воде.

Использование фотополимера, как и в стереолитографии, потребует отверждения ультрафиолетом, поэтому напечатанный слой засвечивается УФ-лампой. Воск же затвердевает при естественном охлаждении. Конечно, восковые модели не отличаются особой прочностью, но их очень легко использовать при изготовлении форм для литья.

Как и в обычной струйной печати, использование материалов разного цвета позволит создавать за один цикл многоцветные модели, а смешение базовых цветов даст возможность получать множество оттенков. Кроме этого, можно сочетать в одной модели материалы с разными свойствами — например, твердые и эластичные.

Перейдем к примерам.

Компактный принтер Solidscape 3Z max при собственных размерах 56×50×42 см и весе 34 кг позволяет создавать модели размерами до 152×152×101 мм, обеспечивая разрешение 5000×5000 dpi (197×197 точек/мм) по осям X, Y и 8000 dpi (158 точек/мм) по оси Z. Его цена около $50 000, но в линейке 3Z есть и более дешевые модели.

В этих принтерах как раз и используется воск двух типов: более тугоплавкий (95–115 °С) для собственно моделей и легкоплавкий (50–72 °С) для поддерживающих структур, которые потом удаляются при низких температурах с помощью специального раствора.

Приблизительная стоимость: воск для моделей 3Z LabCast — $260–270 за 360 г, воск для поддержек $200–210 за 230 г. Как видите, к очень уж дешевым такие расходные материалы не отнесешь.

Плюсы:

• достижимы очень малая толщина слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi);
• возможность многоцветной печати и сочетания материалов с разными свойствами;
• принтеры могут быть достаточно компактными, особенно в сравнении с предыдущими двумя технологиями.

Минусы:

• для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами требуются поддержки, которые приходится тем или иным способом удалять;
• ограниченный выбор материалов для работы.

Послойное склеивание пленок (Laminated Object Manufacturing, LOM)

Тонкие листы материала раскраиваются лазерным лучом или специальным лезвием, а потом тем или иным способом соединяются между собой. Для создания 3D-моделей может использоваться не только пластик, но даже бумага, керамика или металл.

Поскольку разных моделей очень много, рассмотрим один очень характерный пример — цветной 3D-принтер Mcor IRIS, продемонстрированный компанией Mcor Technologies на выставке SolidWorks World 2013. Он использует в качестве материала самые обычные листы бумаги формата А4 или Letter плотностью 160 г/м², которые окрашиваются в необходимый цвет. Разрешение печати 5760×1440×508 точек на дюйм, а максимальный размер создаваемых объектов составляет 256×169×150 мм. При этом обеспечивается полноцветная печать с передачей более миллиона цветов.

На фото изображен 3D-принтер на подставке; габариты самого принтера 95×70×80 см, вес 160 кг. В подставке размером 116×72×94 см и весом еще 150 кг скрывается цветной 2D-принтер.

Создание модели ведется в несколько этапов: на первом пачка бумаги загружается в 2D-принтер и на каждом из листов в цвете печатается нужный слой.

Затем отпечатанные листы переносятся оператором в 3D-принтер, где специальным лезвием на каждом из них делается прорезь по границе нанесенного изображения, а потом листы склеиваются между собой. На третьем этапе оператор вручную удаляет лишнюю бумагу, не содержащую изображения, что для сложных моделей может занять немало времени.

Как вы уже поняли, в процессе работы получается довольно много отходов: если размер данного сечения модели гораздо меньше А4 или Letter, то остальная часть листа пойдет в корзину; помножьте на количество сечений и представьте, сколько бумаги будет выброшено.

Модели получаются очень впечатляющими и довольно прочными, а их себестоимость кажется копеечной — бумага ведь дешевая!

Но ведь потребуется еще и клей для соединения слоев (около $70 за 600 мл), и картриджи с красителями стандартных цветов CMYK (около $700 за набор из 4 картриджей по 320 мл или $195 за каждый картридж по отдельности), которых, по оценке производителя, хватает в среднем на 48 моделей. Получается не так и дешево, а цена самого аппарата впечатляет еще больше: на Западе упоминаются цены от $47 600, а на российском рынке предложения и вовсе начинаются от двух миллионов рублей.

Есть и естественное ограничение на толщину слоя, равную толщине листа бумаги. Это очень хорошо заметно на следующей модели:

На примере Mcor IRIS перечислим основные достоинства и недостатки, многие из которых присущи и другим принтерам, основанным на технологии LOM.

Плюсы:

• возможность полноцветной печати с высоким разрешением по осям X и Y;
• доступность и относительная дешевизна главного расходного материала — бумаги;
• можно создавать довольно большие модели;
• для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами не требуется формирование поддерживающих структур.

Минусы:

• крайне ограниченный набор материалов для создания моделей (в Mcor IRIS — только бумага), а отсюда и ограничения на прочностные и другие свойства создаваемых образцов;
• толщина слоя всецело зависит от толщины используемого листового материала, из-за чего модель порой получается грубой, а механическая обработка для сглаживания возможна не всегда, поскольку может привести к расслоению;
• наличие немалого количества отходов, причем если горизонтальные проекции модели гораздо меньше листа А4/Letter, то отходов получается очень много; избежать этого можно одновременным изготовлением нескольких небольших образцов;
• всегда требуется финишная обработка, связанная с удалением лишнего материала, она лишь может быть проще или сложнее в зависимости от свойств модели; причем если модель имеет полости с ограниченным доступом, то удалить из них лишнее может быть попросту невозможно.

Раз уж мы упомянули полноцветную печать, которая в технологии LOM хоть и реализуется, но всё же на основе обычной 2D-печати, нельзя не рассказать и о трехмерной печати из гипсового композита.

3D Printing (3DP, 3D-печать)

Как и в SLS, основой для будущего объекта является порошок (гипсовый композит), только он не спекается, а послойно склеивается введением связующего вещества.

Для построения очередного слоя модели по всей площади рабочего стола валиком наносится и разравнивается порошок, в который печатающей головкой, напоминающей струйную, по форме данного сечения модели вводится жидкий клей. Кстати: есть упоминания, что головки разрабатываются Hewlett-Packard. Затем стол с уже созданными слоями опускается и процесс повторяется нужное количество раз, а по окончании происходит нагрев для ускорения высыхания клеящего состава. После этого лишний порошок, оставшийся несвязанным, удаляется: в основном автоматически, возвращаясь в бункер для последующей работы, а из сложнодоступных мест — струей воздуха (станция очистки может быть встроена в дорогие модели) или кистью.

Но в получившейся модели остаются поры — пространство между частичками порошка, а поверхность получается шероховатой. Для придания нужных свойств (гладкости, прочности, малой гигроскопичности) ее нужно обработать специальным составом-закрепителем. В его качестве может выступать раствор английской соли (гептагидрат сульфата магния), воск, парафин, цианокрилаты и эпоксидная смола; часть из них можно наносить простым опрыскиванием или погружением, а для других используются специальные станции.

Откуда же берется полноцветная печать, если порошок один и тот же? А очень просто: красители вводятся в связующее вещество, и их смешение позволяет получить от 64 до 390 000 оттенков. Причем некоторые типы закрепителей позволяют сделать цвета очень яркими.

Такой способ используется в серии ZPrinter, выпускавшейся компанией ZCorporation, которая в 2011 году была поглощена 3D Systems, после чего серия получила название ProJet и несколько иной внешний вид. В серию входят и цветные, и монохромные принтеры с размерами рабочих камер до 508×381×229 мм. Толщину слоя можно задавать ступенями от 0,089 до 0,125 мм, а скорость работы может достигать 2700 см³/час.

Младшая модель серии, принтер ProJet 160 (ZPrinter 150), в России продается по цене свыше 700 тысяч рублей, имеет рабочую камеру 236×185×127 мм, единственно возможную толщину слоя 0,1 мм. Габариты аппарата 740×790×1400 мм при весе 165 кг.

Обеспечиваемое этим аппаратом разрешение составляет 300 dpi по оси X, 450 dpi по Y и 250 dpi (т. е. 0,1 мм) по Z. Печатающая головка имеет 304 сопла, а скорость работы 870 см³/час. Поскольку используется композитный гипсовый материал белого цвета, то и модели получаются белыми; возможности цветной печати нет. Восьмикилограммовое ведро порошка стоит около $1000, а набор 2×1 л прозрачной связующей жидкости $600.

Самый дешевый цветной принтер серии, ProJet 260C (ZPrinter 250), обойдется уже примерно в 1,2–1,3 миллиона рублей. Параметры его примерно те же, что и у ProJet 160, а количество доступных цветов ограничено 64. Цена на младший из полноцветных принтеров, ProJet 460Plus (ZPrinter 450), почти вдвое выше.

Плюсы:

• позволяет создавать очень сложные модели без поддерживающих структур;
• возможность полноцветной печати с высоким разрешением.

Минусы:

• крайне ограниченное количество материалов, пригодных для использования;
• в ряде случаев требуется финишная обработка, особенно когда нельзя мириться с шероховатой поверхностью;
• малая прочность получившихся образцов даже после обработки закрепляющим составом.

Теперь переходим к технологии, которая в последнее время стала наиболее распространенной, и рассмотрим ее наиболее подробно, поскольку в последующих обзорах мы будем иметь дело с принтерами на основе именно этой технологии.

Послойное наплавление (Fusing Deposition Modeling, FDM)

Как и во всех остальных рассмотренных нами технологиях, модель при FDM-печати создается послойно. Для изготовления очередного слоя термопластичный материал нагревается в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливается в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, оседая на поверхности рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно «рисует» нужный слой — контуры и заполнение между ними, после чего происходит вертикальное перемещение (чаще всего опусканием стола, но есть модели, в которых приподнимается головка) на толщину слоя и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет построена полностью.

В качестве расходного материала чаще всего используются различные пластики, хотя есть и модели, позволяющие работать с другими материалами — оловом, сплавами металлов с невысокой температурой плавления и даже шоколадом.

Минусы, присущие данной методике, очевидны:

• невысокая скорость работы (но, собственно, очень уж высокой скоростью не могут похвастать и другие технологии: для построения крупных и сложных моделей требуются многие часы и даже десятки часов);
• небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к более или менее заметной слоистости поверхности изготовленной модели;
• проблемы с фиксацией модели на рабочем столе (первый слой должен прилипнуть к поверхности платформы, но так, чтобы готовую модель можно было снять); их пытаются решить разными способами — подогревом рабочего стола, нанесением на него различных покрытий, однако совсем и всегда избежать не получается;
• для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять, но даже с учетом этого некоторые модели попросту невозможно сделать на FDM-принтере за один цикл, и приходится разбивать их на детали с последующим соединением склейкой или другим способом.

Таким образом, для очень многих образцов, изготовленных по технологии FDM, потребуется более или менее сложная финишная обработка, которую сложно или невозможно механизировать, поэтому в основном она производится вручную.

Есть и менее очевидные недостатки, например, зависимость прочности от направления, в котором прикладывается усилие. Так, можно сделать образец достаточно прочным на сжатие в направлении, перпендикулярном расположению слоев, но вот на скручивание он будет гораздо менее прочным: возможен разрыв по границе слоев.

Другой момент в той или иной мере присущ любой технологии, связанной с нагревом: это термоусадка, которая приводит к изменению размеров образца после остывания. Конечно, тут много зависит от свойств используемого материала, но порой нельзя примириться даже с изменениями в несколько десятых долей процента.

Далее: технология может показаться безотходной только на первый взгляд. И речь не только о поддерживающих структурах в сложных моделях, немало пластика уходит в отходы даже у опытного оператора при подборе оптимального для конкретной модели режима печати.

Почему же при таком количестве проблем эта технология сейчас стала столь популярной?

Главная и определяющая причина — цена как на сами принтеры, так и на расходные материалы к ним. Первым важным толчком в процессе продвижения FDM-принтеров «в массы» стало истечение в 2009 году срока действия патентов, вследствие чего за пять лет цены на такие принтеры снизились более чем на порядок, а если рассмотреть крайности (самые дорогие до 2009 года и самые дешевые сегодня), то и на два порядка: цена на самые дешевые принтеры китайского производства сегодня составляет всего 300–400 долларов — правда, скорее всего покупатель в них моментально разочаруется. Более приличные принтеры начального уровня сейчас имеют цену уже ближе к $1200–1500.

Вторым немаловажным фактором стало появление проекта RepRap, или Replicating Rapid Prototyper — самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования. Самовоспроизведение касается изготовления на уже сделанном принтере частей для другого подобного принтера — конечно, не всех, а лишь тех, которые можно создать в рамках данной технологии, всё прочее приходится покупать. И оно не было самоцелью проекта: главной задачей стало создание максимально дешевых моделей принтеров, доступных даже частным энтузиастам, не обремененным излишком денег, но желающим попробовать свои силы в 3D-печати. Более того, самовоспроизводящимися (в сколь-нибудь заметной части всех деталей) были и есть далеко не все прототипы, созданные в рамках RepRap.

Мы не будем заниматься подробным описанием этапов становления проекта RepRap, разбором достоинств и недостатков таких прототипов, как Darwin, Mendel, Prusa Mendel, Huxley. Тема очень обширна, чтобы ее можно было рассмотреть в рамках данного обзора, и мы приводим эти названия только как ключевые слова для поиска информации, которой в интернете очень много.

Конечно, создаваемые таким образом принтеры чаще всего далеки от совершенства даже в рамках технологии FDM, но они позволяют с минимальными финансовыми затратами создать вполне работоспособный аппарат. Нужно отметить: сегодня вовсе не обязательно искать обладателя принтера, чтобы напечатать возможные детали, и бегать по магазинам в поисках остального; предлагаются полные наборы для самостоятельной сборки принтера, так называемые DIY kits (от «Do It Yourself» — сделай это сам), которые позволяют и заметно сэкономить, и избежать лишней беготни и хлопот, да к тому же содержат подробные инструкции по сборке. Но есть простор и для тех, кто не хочет замыкаться в рамки готовых конструкций и желает внести в них что-то свое: есть масса предложений по любым отдельным комплектующим для подобных принтеров.

Еще одна положительная сторона развития проекта RepRap — появление и совершенствование различного программного обеспечения для работы с подобными 3D-принтерами, причем распространяемого свободно. В этом немаловажное отличие от аппаратов, выпускаемых именитыми производителями, которые работают только с собственным ПО.

В принципе, проект не замыкается на технологии FDM, но пока именно она является наиболее доступной, равно как наиболее доступным материалом является пластиковая нить, которая и используется в подавляющем большинстве принтеров, создаваемых на базе разработок RepRap.

Широкое распространение FDM-принтеров привело к увеличению спроса на расходные материалы к ним; предложение не могло не последовать за спросом, и произошло то же самое, что и с самими принтерами: цены рухнули. Если на старых интернет-страницах, посвященных FDM-технологиям, встречаются упоминания цен на уровне 2-3 и даже более сотен евро за килограмм пластиковой нити, то сейчас повсеместно речь идет о десятках евро, и лишь на новые материалы с необычными свойствами цена может достигать сотни долларов или евро за килограмм. Правда, если раньше продавались в основном «фирменные» материалы, то теперь зачастую предлагается нить непонятного происхождения и неопределенного качества, но это неизбежно сопутствует популярности.

Помимо цены, у FDM-принтеров есть другие достоинства, связанные с возможностями технологии. Так, очень легко оснастить принтер второй печатающей головкой, которая может подавать нить из легко удаляемого материала для создании поддержек в сложных моделях. Внеся краситель при изготовлении пластиковой нити, можно получать различные, очень яркие цвета.

Да и сам материал нити может иметь самые разные свойства, поэтому рассмотрим вкратце наиболее распространенные типы.

Пластиковая нить может быть двух стандартных диаметров: 1,75 и 3 мм. Естественно, они не взаимозаменяемы, и выбор нужного диаметра следует уточнять по спецификации принтера. Поставляется пластик на катушках и измеряется не длиной, а весом. Для FDM-принтеров некоторых производителей (например, CubeX от 3D Systems) нужно покупать не катушки, а специальные картриджи с нитью, которые в пересчете на килограмм обходятся заметно дороже, но производитель гарантирует качество материала — словом, всё точно так, как в обычных принтерах: «оригинальная» и «совместимая» расходка.

Для каждого типа материала должны быть известны рабочая температура, до которой должен нагреваться материал в печатающей головке, и температура подогрева рабочего стола (платформы) для лучшего прилипания первого слоя. Эти величины не всегда одинаковы для любого образца нити, сделанной из материала одного типа, поэтому мы указываем примерный диапазон; по идее, оптимальные температуры должны указываться на этикетке катушки или в сопроводительном документе, но это происходит далеко не всегда, и зачастую их приходится подбирать экспериментально.

Основными материалами для FDM-принтеров являются пластики ABS и PLA.

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) — это ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Сырьем для его производства является нефть. Этот пластик непрозрачный, легко окрашивается в разные цвета.

Достоинства ABS:

• долговечность,
• ударопрочность и относительная эластичность,
• нетоксичность,
• влаго- и маслостойкость,
• стойкость к щелочам и кислотам,
• широкий диапазон эксплуатационных температур: от −40 °С до +90 °С, у модифицированных марок до 103–113 °С.

К достоинствам следует отнести невысокую стоимость, растворимость в ацетоне (что позволяет не только склеивать детали из ABS, но также сглаживать с помощью ацетона неровную поверхность). ABS более жесткий, чем PLA, и потому сохраняет форму при больших нагрузках.

Из недостатков надо упомянуть следующие:

• несовместимость с пищевыми продуктами, особенно горячими, поскольку при определенных условиях (высокой температуре) может выделять циановодород,
• неустойчивость к ультрафиолетовому излучению (т. е. не любит прямых солнечных лучей),
• термоусадка заметно выше, чем у PLA,
• более хрупкий, чем PLA.

Рабочая температура выше, чем у PLA, и находится в диапазоне 210–270 °С. При работе с нитью ABS ощущается слабый запах. Кроме того, для лучшего прилипания первого слоя модели к рабочему столу требуется подогрев стола примерно до 110 градусов.

Про цену: встречаются упоминания $30–40 за килограммовую катушку. Реально цены в России начинаются от 1500 (мелкий опт) до 2000 и более (розница) рублей за килограмм, если речь идет о китайских производителях. ABS-нить от известных фирм, изготовленная в США, может быть в полтора-два раза дороже.

PLA (полилактид, ПЛА) — биоразлагаемый, биосовместимый полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат возобновляемые ресурсы — например, кукуруза или сахарный тростник, поэтому материал является нетоксичным и может применяться для производства экологически чистой упаковки и одноразовой посуды, а также в медицине и в средствах личной гигиены.

Сразу отметим: биоразлагаемость вовсе не синоним крайней недолговечности, изделия из PLA вполне жизнеспособны.

Достоинства:

• низкий коэффициент трения, делающий его пригодным для изготовления подшипников скольжения,
• малая термоусадка, особенно в сравнении с ABS,
• менее хрупкий и более вязкий, чем ABS: при одинаковых нагрузках скорее согнется, чем сломается.

Рабочая температура ниже, чем у ABS: около 180–190 °С. Подогрев рабочего стола не является обязательным, но желательно всё же нагревать стол до 50–60 °С.

Недостатки: один из них мы уже упомянули — меньшую, чем у ABS, долговечность. Кроме того, PLA более гигроскопичен, и даже при хранении требует соблюдения режима влажности, иначе может начаться расслоение материала и появление в нем пузырьков, что приведет к дефектам при изготовлении модели. К тому же PLA зачастую немного дороже ABS, хотя цена сильно зависит от производителя и продавца.

Ацетон практически не оказывает воздействия на PLA, его приходится склеивать и обрабатывать дихлорэтаном, хлороформом или другими хлорированными углеводородами, что требует повышенных мер безопасности при работе (но, конечно, и ацетон в этом плане не подарок).

Другие материалы для FDM-печати распространены гораздо меньше.

HIPS (High-impact Polystyrene, ударопрочный полистирол) — материал непрозрачный, жесткий, твердый, стойкий к ударным воздействиям, к морозу и перепадам температур. Растворяется в лимонене — естественном растворителе, извлекаемом из цитрусовых, и потому может использоваться для создания поддерживающих структур, которые не придется удалять механически.

Рабочая температура около 230 °С, цена на 30–50% выше, чем у ABS.

Нейлон легкий, гибкий, устойчивый к химическому воздействию. Детали из него обладают очень низким поверхностным трением.

Рабочая температура выше, чем у PLA: около 240–250 °С. Правда, при этом не выделяется паров или запахов. Стоимость нейлоновой нити в два раза больше, чем PLA или ABS.

PC (Polycarbonate, поликарбонат) — довольно твёрдый полимер, сохраняющий свои свойства в диапазоне температур от −40 °С до 120 °С. Обладает высоким светопропусканием и часто используется в качестве заменителя стекла, а поскольку еще имеет меньшую удельную массу и более высокий коэффициент преломления, то прекрасно подходит для производства линз. Полная биологическая инертность позволяет делать из него даже контактные линзы. Кроме того, из него изготавливают компакт-диски.

Температура печати 260–300 °С. В виде нити для FDM-печати пока выпускается мало, поэтому цена втрое выше, чем у ABS.

Похожими оптическими свойствами обладает PETT (Polyethylene terephthalate, полиэтилентерефталат). Модели из него получаются очень прочными, поскольку слои расплавленного материала отлично склеиваются. Рабочая температура 210–225 °С, стол желательно подогреть до 50–80 °С. Цена около 4500–5000 рублей за килограмм.

Под аббревиатурой PVA (ПВА) могут скрываться два типа материала: поливинилацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) и поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). По химической формуле они довольно похожи, только в поливиниловом спирте отсутствуют ацетатные группы, и свойства их тоже совпадают — во многом, но не во всем. К сожалению, продавцы зачастую указывают просто «PVA (ПВА)», не делая различий, поэтому мы можем привести только обобщенную примерную цену: 4500–5000 рублей за килограмм нити.

Поливиниловый спирт PVAl требует рабочей температуры около 180–200 °С, дальнейшее ее повышение нежелательно — может начаться пиролиз (термическое разложение). Кроме того, материал очень гигроскопичен, он активно поглощает влагу из воздуха, что создает проблемы и при хранении, и при печати, особенно если диаметр нити 1,75 мм. С другой стороны, это же свойство является очень полезным: поддержки, сделанные из PVAl, растворяются в холодной воде.

Поливинилацетат PVAc всем хорошо известен как составная часть клея ПВА, представляющего собой водную эмульсию этого вещества. Для него требуется немного более низкая рабочая температура: 160–170 градусов. Он также хорошо растворяется в воде.

Все время появляются новые материалы с оригинальными свойствами. Правда, цена на них в первое время может быть очень высокой.

Например, эластомер NinjaFlex позволяет создавать эластичные изделия. Цена около 7500–8000 рублей за килограмм, рабочая температура 210–225 °С, температура стола может быть комнатной или слегка повышенной, до 35–40 °С.

Недавно появившийся материал Laywoo-D3 интересен прежде всего тем, что изделия из него по фактуре напоминают дерево и даже пахнут, как деревянные. Дело в том, что его как раз и делают на основе мелких частиц дерева и связующего полимера. Рабочие температуры могут быть в диапазоне 175–250 °С, подогрев стола не требуется. Причем цвет после застывания будет зависеть от выбранной температуры: чем она выше, тем темнее. Меняя температуру во время печати, можно даже получить подобие годовых колец, как на натуральном дереве. Конечно, и цена на этот материал немалая — около 10 тысяч рублей за килограмм.

Другой экзотический материал, Laybrick, содержит минеральные наполнители и позволяет имитировать изделия из песчаника. Рабочая температура находится в пределах 165–210 °С; на этот раз с повышением температуры можно получить более грубую поверхность для усиления эффекта имитации. Он также не требует подогрева стола, но по окончании печати следует выждать несколько часов, чтобы модель окончательно затвердела, и лишь потом снимать ее. Цена те же 10 тысяч рублей за килограмм.

Конечно, все указанные выше цены являются лишь ориентиром: они могут меняться как по прошествии времени, так и от продавца к продавцу, особенно если покупать не в России, а заказывать за рубежом.

Поскольку наш обзор рассчитан в основном на тех, кто недавно заинтересовался 3D-печатью и пока не имеет собственного опыта работы в этой сфере, отметим: лучше всего начинать с «курса молодого бойца», и даже порекомендуем курсы по обучению 3D-печати (по ссылке можно скачать программу курсов и найти контактные координаты). Помимо рассказа о теоретических основах, каждому «курсанту» предоставляется возможность поработать на весьма неплохом FDM-принтере под руководством знающих специалистов. Конечно, курсы коммерческие, т. е. платные, но потраченные деньги быстро окупятся, поскольку вы получите знания о том, как избежать самых частых ошибок, и практический опыт, пусть и небольшой.