Особенности 3D-печати, о которых должен знать заказчик

Хотя 3D-печать как технология существует уже достаточно давно, но для массового заказчика в нашей стране это все еще непонятная диковинка. В то же время 3D-печать не является какой-то волшебной технологией, которой всё по плечу. Как и у любой другой технологии, у 3D-печати есть свои достоинства и недостатки. И эти особенности 3D-печати всегда отражаются на результатах работы. Знание особенностей, распечатанных на 3D принтере деталей и изделий, поможет Вам правильно оценить ситуацию. Вы сможете выбрать тот путь решения Ваших задач, который наиболее подходит в каждой ситуации.

Слоистость

Слоистость — важнейшая особенность, которая определяет внешний вид и свойства получаемых деталей. Детали из пластика, сделанные 3D-печатью, всегда имеют характерную структуру – слоистость.

Голубь
Фигурка голубя, выполненная на 3D-принтере. Пластик PLA.

На фото Вы видите более светлые и более темные полоски — это участки, которые отличаются высотой слоя. Такой эффект получается на цветных пластиках при использовании настроек с адаптивными слоями (т.е. высота слоя изменяется во время печати в зависимости от топологии модели). При увеличении также можно рассмотреть отдельные слои. Наибольшая высота слоя здесь 0,28 мм, наименьшая — 0,04 мм.

Простая втулка
Простая втулка высотой 51 мм, внешний диаметр 31мм, внутренний диаметр 31,2мм

Втулка на фото выше выполнена из пластика PETG с высотой слоя 0,28 мм. При увеличении также заметны слои, которые, тем не менее, имеют вполне эстетичный вид.

Слоистостью можно управлять. Самая распространенная высота слоя 0,2 мм. В большинстве случаев для наиболее распространенны бытовых 3D-принтеров высота слоя варьируется от 0,1 до 0,28 мм. В то же время даже на этих принтерах высота слоя технически может быть от 0,02 мм и выше. Минимальная высота ограничена кинематикой принтера и используемых шаговых двигателей. Максимальная высота ограничена производительностью нагревательного элемента, плавящего пластик и калибром используемых сопел. Чем меньше высота слоя, тем менее заметна слоистость, но дороже изделие).

Слоистость можно убрать полностью путем дополнительной шлифовки или химической обработки (не все пластики поддаются химической обработке). И, наконец, к слоистости можно относится просто как к особенности материала изделия (у дерева, например, есть рисунок волокон – это особенность дерева). При качественно выполненной печати слоистость имеет сама по себе вполне эстетичный вид и, по моему мнению, с этой точки зрение не несет каких-либо проблем. Более серъезны проблемы, связанные с прочностью деталей.  Данные особенности 3D-печати будут описаны ниже.

Анизотропия

Анизотропия — различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды.

Как правило об анизотропии говорят в связи с кристаллическим строением веществ, но в данном случае это явление связано исключительно с особенностями технологии 3D-печати. Сам же по себе пластик, используемый для 3D-печати не имеет таких свойств.

Анизотропия для 3D-печати заключается в том, что по различным направлениям приложения силы детали из пластика имеют разную прочность на изгиб и растяжение. На сжатие – практически одинаково. Здесь можно провести практически полную аналогию с деревом, которое имеет разную прочность вдоль и поперек волокон. Эти особенности 3D-печати связаны со слоистостью и с явлением, которое называется «межслойная адгезия». Сила сцепления между отдельными слоями всегда существенно меньше, чем вдоль слоев. На практике это имеет значение в случае мелких, но достаточно нагруженных деталей – деталей с резьбой, с зубчатыми зацеплениями и т.п.

Как преодолеть проблемы с анизотропией?

Для крупных деталей всегда можно предусмотреть технические меры, чтобы свести этот эффект к нолю. К таким мерам можно отнести изготовление составных деталей, где отдельные элементы будут растягиваться, сжиматься и изгибаться наиболее выгодным с точки зрения прочности способом. Можно также использовать упрочнение пластиков химическим путем. Пропитку эпоксидными составами. Хорошие результаты дает использование стеклотканей в сочетании с эпоксидными составами. Где возможно, следует использовать и другие материалы — металл, дерево и пр.

кнопка сложной формы, 3D-печать
3D-модель, оригинал и 3D-печатная копия кнопки (используется в мотоцикле)

Кнопка, показанная на рисунке выше была смоделирована для печати из шести отдельных частей, которые после печати соединялись между собой на клей (для точности позиционирования были предусмотрены пазы). Так как детали были сделаны из пластика PLA, то клеем служил дихлорэтан (известен как «клей для оргстекла»). Этот клей растворяет пластик и в результате соединение получается даже прочнее, чем основной объем пластика. Подобной конструкцией кнопки мы решили несколько задач. Первое — все поверхности (в особенности лицевая) имели эстетичный вид, потому что мы избежали необходимости использовать поддержки (о поддержках читайте ниже). Второе — круглый пин и защелки были сориентированы для печати таким образом, что это позволило выжать максимум из прочности пластика. Максимальные нагрузки в результате будут прилагаться вдоль слоев пластика.

В большинстве случаев прочность детали, полученной 3D-печатью будет меньше, чем прочность такой же детали из такого же материала, но полученной путем литья. Но и это не непреодолимая проблема, потому что моделируя деталь для 3D-печати мы всегда можем предусмотреть меры, компенсирующие уменьшение прочности в отдельных местах. Например, если условия эксплуатации позволяют, то деталь можно сделать банально толще.

Вместо тонкостенных деталей с многочисленными ребрами жесткости, которые так часто используются в литье, можно (и нужно) использовать объемные детали.

Глянец

В большинстве случаев глянец — это именно то, что нужно заказчику. Но иногда требуется получить матовую поверхность.

Детали из практически всех доступных пластиков имеют глянцевую поверхность. Есть пластик HIPS с матовой поверхностью, но он имеет усадку, что выражается в том, что геометрия точных или крупных деталей не удовлетворительна. HIPS хорош для художественных изделий и еще для некоторых специфических случаев.
Для других пластиков проблему блеска можно решить или шлифованием, или
покрытием матовой краской/лаком. На фото 3 четко виден глянец фигурки, которая сфотографирована прямо «из-под принтера» (правда, были удалены поддержки — о поддержках читайте ниже).

Фигурка дракона
Фото. 3. Фигурка дракона. Пластик — PLA, Постобработка отсутствует

Производятся разновидности пластиков, которые имеют матовую поверхность (например, PLA может быть глянцевым, полуматовым и матовым). Но это редкие пластики так как их цена на нашем рынке гораздо выше.

Ограничение в габаритных размерах

3D-принтеры в абсолютном большинстве имеют скромные размеры области печати. Например, мегапопулярный принтер Ender 3 имеет область печати. 22х22х25(h) см.

3D-принтер Creality Ender-3
3D-принтер Creality Ender-3

Как правило, область печати для бытовых принтеров находится в указанных пределах, может быть, с небольшими отличиями.

Принетры, собранные по схеме «дельта» имеют круглый стол, но размеры области печати приблизительно соответствуют указанным выше, хотя в большинстве случаев все же превышают их. Например, для прентера Tevo Little Monster область печати составляет 34 см (диаметр) на 50 см – высота.

3D-прентер Tevo Little Monster
3D-принтер Tevo Little Monster

Что делать, если деталь превышает эти габариты? Если какая-либо деталь имеет габариты больше размеров области печати, то мы делаем составную деталь. Это совершенно не проблема.
Составные детали делаются и во многих других случаях (например, чтобы нивелировать последствия анизотропности, если различные элементы детали подвержены различным нагрузкам — см. выше). Некоторые пластики можно соединять химически – клеить клеями, которые растворяют данный вид пластика. Это очень надежный способ, прочность клеевого шва равна или превышает прочность детали. Или клеить эпоксидными составами – для пластиков, которые чрезвычайно химически стойкие. Еще один способ – механическое соединение. Так как любой печати предшествует моделирование, то всегда можно смоделировать нужный тип соединения, предусмотрев соотв. пазы, отверстия и т.п. Точность получаемых при печати размеров деталей гарантирует точность соединения.

Мы можем управлять пустотами внутри детали

Уникальная особенность 3D-печати в том, что мы можем изготовить внешнюю оболочку, а внутри детали можно обойтись почти без заполнения материалом.

Заполнение внутренних объемов при 3D-печати
Заполнение внутренних объемов при 3D-печати (3dtoday.ru)

Это полезно для облегчения детали, которая не будет воспринимать какие-либо серьезные нагрузки. Но мы можем управлять плотностью заполнения внутренних частей и толщиной внешней оболочки и, тем самым управлять прочностью детали. Эти параметры являются определяющими при расчете стоимости печати – стоимость одной и той же детали может отличаться в разы в зависимости от степени заполнения. По этой причине необходимо серьёзно отнестись к оценке степени нагруженности той или иной детали.

Возможность делать детали с управляемой структурой внутреннего заполнения является уникальной особенностью 3D-печати. Она позволяет получить внешне объемную деталь, но при этом обладающую малым весом, но высокой жесткостью. Эта особенность была быстро взята на вооружение конструктарами летательных аппаратов. На профессиональном уровне это используется в конструкции различных беспилотных летательных аппаратов.

Но и любители активно используют эти возможности при построении авиамоделей. Конечно же использование данных свойств используется не ограничивается авиамоделированием. Кстати, внутренние объемы, при необходимости, можно заполнить дешевыми наполнителями (гипс, например). Так можно получить дешевую, но тяжелую и «дорогую» по ощущениям деталь.

Поддержки и мосты

Поддержки

Технология 3D-печати имеет также и такую особенность, что каждый очередной слой должен наплавляться на предыдущий. Допускаются, конечно небольшие нависания очередного слоя над нижележащим, но это позволяет делать поверхности, которые отклоняются от вертикали на угол, который не превышает 45-60 градусов. А что делать, если поверхность должна быть горизонтальной и нависающей? В этом случае можно использовать несколько приемов.

Для того, чтобы было понятнее, приведем аналогию со строительством дома. Представим, что мы уже построили фундамент и вертикальные стены первого этажа. Теперь нам нужно сделать перекрытие между этажами.

Первый прием — конструктивно разделить деталь на несколько частей, чтобы в результате избежать необходимости печатать нависающие части. В строительстве это соответствовало бы, например, установке готовой плиты перекрытия. Ее бы подняли краном и установили на свое место. Так и в 3D-печати, можно отдельно распечатать «потолок», а затем прикрепить его к «стенам».

Второй прием — использование поддержек. В этом случае при печати основного изделия принтер также дополнительно печатает каркасы в тех местах, где будут нависающие части. Поддержки могут быть из того же материала, что и основная деталь или из другого материала. Второй случай возможен только при использовании более сложных многоэкструдерных принтеров. По окончании печати эти поддержки механически или химически удаляются. Если продолжить аналогию со строительством, то поддержки — это как опалубка, которая также убирается после того, как будет залита бетонная плита перекрытия и бетон набрал прочность.

поддержки и шов при 3D-печати
Внешний вид поверхности, где располагались поддержки и шов (Модель Tesla Cybertruck, PLA-пластик)
Внешний вид поверхности с поддержками (слева) и без поддержек (справа). Деталь противотуманной фары, пластик PETG
Мосты

Третий прием — мосты. Это как перемычки над оконными и дверными проемами. Можно настроить печать таким образом, чтобы небольшие нависания перекрывались нитями пластика, которые как бы натягивались в воздухе. Главное, чтобы и с одной и с другой стороны была опора на «стенку».

В чем проблема с поддержками и мостами? И то и другое портит внешний вид детали. Поэтому каждый грамотный конструктор, который заранее знает, что конструирует под 3D-печать посторается избежать поддержек, а если это невозможно, то сделать деталь так, чтобы поддержки не требовались на лицевой стороне. В свою очередь, подготавливая деталь к печати, специалист также должен учесть эти нюансы.

Нельзя забывать и о том, что поддержки нужно будет удалить и если они разместятся в недоступном месте, то будет создана проблема.

При неосторожном удалении поддержек можно просто сломать модель. Особенно это характерно для такого пластика, как PETG. К этому пластику поддержки прилипают особенно прочно. Если сломать модель из PETG при удалении поддержки, то модель практически на 100% будет неремонтопригодна и необходимо будет печатать еще раз.

Шов

3D-печать происходит путем послойного нанесения пластика, как уже было написано. При этом каждый слой состоит из отдельных линий — полосок пластика, которые наносятся горячим соплом. Как правило траектории этих линий представляю собой замкнутые кривые. А для внешних контуров модели — это всегда так. Т.е. внешняя линия всегда имеет начало и конец. Ввиду того, что технология не позволяет идеально точно состыковать начало и конец линии, то в месте стыка образуется что-то такое, что отличается от поверхности остальной детали (выпуклость, вогнутость или еще что-то в зависимости от настроек). Это повторяется слой за слоем и в итоге образуется то, что мы называем «шов».

Можете посмотреть на рисунке выше (модель Тесла) левая и правая часть должны быть симметричными теоретически. Но на практике справа есть шов. Для большинства моделей это не более чем небольшой косметический недостаток. Для значительной части моделей шов вообще можно путем грамотных настроек печати разместить в таком месте, что его и не заметишь. В некоторых случаях, когда модель будет подвергаться постобработке, мы избавимся от шва механическим путем (зашлифуем). Но все-таки есть случаи, когда нужно учитывать его наличие. Например, когда нужно сделать достаточно точную по внешним и/или внутренним размерам втулку, то на диаметре, где расположен шов размер будет не очень точным. В некоторых случаях можно отшлифовать, но в большинстве случаев придется смириться.

Повторяемость

Это не уникальная особенность 3D-печати, но все же о ней не стоит забывать. Так как каждая деталь на 3D-принтере изготавливается по заранее созданной 3D-модели, то, при необходимости мы можем сделать абсолютно идентичную деталь. При этом, например, в классической технологии литья пластмасс нужно где-то хранить матрицы, которые могут и повредиться в процессе хранения. В 3D-печати нужно всего-то надежно хранить файл, который можно многократно размножить, куда-либо переслать.

Сочетание технологий

По нашему собственному опыту могу сказать, что сами по себе технологии 3D-печати далеко не всегда являются самодостаточными (впрочем, как и другие технологии). Самодостаточны они тогда, когда нужно, к примеру, сделать аналог какой-либо отдельной детали. И эта деталь полностью подходит для выполнения ее на 3D-принтере. Посмотрите на втулку на фото. 2 — это тот самый случай. Таких случаев достаточно много, но также часто необходимо дорабатывать даже отдельную деталь. Например, голубя на фото 1, не помешало бы окрасить и покрыть лаком, так же как и дракона на фото 3.

Фигурка дракона (с постобработкой)
Фигурка дракона (с постобработкой)

Если же мы захотим выполнить что-то более сложное, то обойтись только 3D-печатью будет почти невозможно. 3D-печатники вынуждены или осваивать более широкий круг технологий или же кооперироваться с другими специалистами. Например, мы практикуем и то и другое. Это позволяте дать нашему клиенту полный сервис от начала до конца.

Резюме

Уже в процессе написания этой статьи стало понятно, что описать все невозможно. Это тема не для статьи, а для среднего формата брошюры. Очевидно, что мы не учли каких-то вещей. Но ключевые особенности 3D-печати все же описали. Если Вы хотите воспользоваться 3D-печатью, то было бы неплохо, чтобы Вы заранее понимали достоинства и ограничения этой технологии. Основное, что следует знать — почти все достоинства и недостатки следуют из принципа получения детали. На английском языке технология называется fused deposition modeling (сокр. FDM), что в свободном переводе обозначает «моделирование путем послойного наплавления». Именно благодаря послойному наплавлению мы получаем как плюсы, так и минусы технологии.

12 thoughts on “Особенности 3D-печати, о которых должен знать заказчик

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *