На рынке доступно бесчисленное множество технологий и материалов для 3D-печати. Возможно, вы слышали о принтерах, строящих дома, или о принтере для печати шоколадом, или, может быть, даже о биопринтере, способном воссоздавать органы. Хотя многие из этих вариантов реальны, некоторые из них являются научной фантастикой, а другие просто причудливы. В связи с этим возникает вопрос для предпринимателей, инвестирующих в свой собственный бизнес, исследователей, внедряющих новые технологии для своих институтов, и инженеров, которым поручено улучшить жизненный цикл разработки продукта: какая технология 3D-печати подходит для меня?

Наиболее часто используемыми технологиями 3D-печати являются стереолитография (SLA) и методом послойного наплавления (FDM). Первоначально представленные в 1980-х годах, эти новаторские технологии адаптировались к современным реалиям благодаря использованию улучшенных материалов, увеличению скорости, размеров и качества. Важно отметить, что существует множество производителей и поставщиков, которые предлагают различные 3D-принтеры, печатающие по технологии FDM или SLA, и каждый из них по-своему уникален.

Подобно автомобильной промышленности, сравнивающей грузовик с седаном, существует множество производителей и вариантов, доступных для выбора. Хотя это может быть сложно, наша задача состоит в том, чтобы упростить его и начать с объяснения основных различий между FDM и SLA. После этого можно определить, какая технология подходит для вашего бизнеса.

Что такое FDM 3D-печать?

Метод послойного наплавления (FDM от англ. fused deposition modeling), иногда называемый методом наплавления нитей (FFF от англ. fused filament fabrication), является наиболее распространенной технологией 3D-печати, доступной на рынке. Как правило, принтеры FDM работают с одним или двумя экструдерами, совместимыми с термопластичными нитями - филаментами. Он загружается в принтер из катушки с материалом, расплавляется и укладывается на нагретую платформу построения по заданной траектории. Материалы одновременно охлаждаются и прилипают друг к другу, создавая трехмерную деталь. Принтеры FDM бывают различных размеров и используют различные материалы и могут стоить от 10 000 до 6 000 000 рублей. Материалы могут включать пластмассы, такие как ABS, ASA, PLA, а более продвинутые принтеры могут использовать материалы с углеродным наполнителем и нейлоном, которые обладают большей прочностью и более долговечны.

Сильные стороны

FDM относительно недорог по сравнению с альтернативными методами 3D-печати и, как правило, дает наиболее стабильные результаты, когда дело доходит до повторяемости и прочности. Кроме того, последующая обработка моделей, напечатанных с помощью FDM проста и в большинстве случаев безопасна.

Недостатки

Печать термопластичными материалами через экструзионные сопла приводит к проблемам с допусками и точностью моделей. По сравнению с другими технологиями 3D-печати, FDM может оставлять линии слоев или небольшие дефекты из-за нагрева и охлаждения материалов.

Что такое SLA 3D-печать?

Стереолитография (SLA от англ. stereolithography) была представлена на рынке в 1980-х годах и быстро интегрировалась многими производителями и компаниями по производству потребительских товаров. Вместо нитей SLA 3D-принтеры работают с фотополимерами, которые представляют собой светочувствительный материал, изменяющий физические свойства при воздействии света. Вместо экструзионной насадки SLA использует лазер для отверждения жидкой смолы в физическую деталь с помощью процесса, называемого фотополимеризацией. Этот уникальный процесс печати обеспечивает более высокое разрешение деталей, обладающих изотропными и водонепроницаемыми свойствами. Фотополимеры являются термореактивными материалами, то есть они реагируют иначе, чем термопласты. Подобно FDM, на рынке представлен широкий ассортимент принтеров SLA различных размеров, использующие различные материалов в различных ценовых диапазонах.

Сильные стороны

Лазерная технология обеспечивает высокую точность, которая позволяет изготавливать детали с меньшими допусками и увеличенным разрешением по сравнению с альтернативными технологиями. Если вам требуется высокоточная деталь, возможно, вам стоит рассмотреть SLA.

Недостатки

Что SLA приобретает в красоте, то теряет в прочности. В то время как некоторые материалы SLA спроектированы так, чтобы в некоторых случаях работать лучше, практически невозможно воспроизвести те же механические свойства ABS, нейлона и других филаментов, доступных FDM принтерам. Если ваши детали требуют большей функциональности, мы рекомендуем использовать технологию FDM.

FDM против SLA: Выбор правильной технологии

Область построения

Вам необходима печать больших деталей или же нужна достаточно большая платформа для сборки нескольких деталей/малообъемного производства? Нелегко найти принтер, способный печатать большие детали, и, конечно, размер объективен, поэтому важно определить, что для вас значит большой размер. Поскольку мы работаем в трех измерениях, никогда не недооценивайте высоту (Z) и всегда помните, что детали могут быть построены в разных направлениях для оптимизации прочности или постобработки. При сравнении технологий важно определить, какой тип деталей вы собираетесь печатать сегодня, и заранее спланировать, что может быть произведено в будущем. Наиболее распространенным сожалением является нехватка емкости принтера.

Найти широкоформатный 3D-принтер SLA очень сложно и почти невозможно из-за особенностей технологии. Во-первых, после печати остается больше отходов, связанных с большим объемом жидкой смолы. Во-вторых, стоимость отдельных деталей, как правило, выше, поскольку материалы будут дороже. Наконец, сверхвысокая точность лазера, безусловно, полезна для деталей с более высоким разрешением, но это приводит к гораздо большему времени печати.

★ 3D-печать FDM является идеальным выбором при изготовлении крупных деталей и используется уже довольно давно. Присущие FDM преимущества указывают на то, что гораздо проще получать воспроизводимые результаты, независимо от размера детали или области построения. Кроме того, FDM печать обладает значительно меньшим количеством отходов, а время, необходимое для производства больших или многих деталей, намного быстрее, чем у многих альтернатив, использующих технологию SLA. Проще говоря, с помощью FDM можно печатать большие размеры по доступным ценам.

Скорость печати

На нашем высококонкурентном коммерческом и промышленном рынке скорость разработки и производства новых продуктов имеет первостепенное значение для привлечения ранних пользователей и увеличения доли рынка. 3D-печать обеспечивает это преимущество и позволяет производить детали в одночасье без надзора оператора. Независимо от того, выбираете ли вы технологии SLA или FDM, скорость может быть не самым важным фактором, поскольку обычные производственные или ручные процессы занимают больше времени, чем и то, и другое. С учетом сказанного, если скорость 3D-печати является приоритетом, выбирайте между внешним видом детали и разрешением.

SLA славится изготовлением деталей, которые визуально превосходят FDM благодаря лазерной технологии, способной печатать слои толщиной до 25 микрон. Учет размера детали помогает точно определить, как долго деталь будет печататься. По сравнению с FDM скорость почти ничтожна.

★ Однако технология FDM, как правило, способна предложить несколько различных размеров сопел (0.6 мм, 0.1 мм, 0.2 мм), что обеспечивает инженерам гибкость для ускорения процесса печати. По сравнению с SLA, FDM значительно быстрее, но это является компромиссом. Естественно, большие размеры сопел приводят к более толстым линиям слоев. В конечном счете, вы должны учитывать свои требования к деталям и соблюдать баланс между разрешением и скоростью.

Материалы

3D-принтер бесполезен без материалов. Каков ваш процесс тестирования и оценки на протяжении всей разработки прототипа? Что для вас важнее: создать прототип или изготовить детали, которые механически идентичны деталям конечного использования? Было бы выгодно вашей инженерной команде иметь детали с химической стойкостью? Существует так много вопросов, которые необходимо учитывать при определении правильной технологии 3D-печати для вас, но нет ничего более ценного, чем понимание возможностей материала и производительности 3D-принтера.

Материалы SLA идеально подходят для нишевых применений, но им не хватает общей прочности и функциональности по сравнению с FDM. Например, некоторые материалы, используемые при SLA печати, обладают биосовместимыми характеристиками, которые в сочетании с возможностями высокого разрешения делают их идеальными для создания прототипов некоторых медицинских устройств и для случаев использования в стоматологии. Однако материалы SLA вряд ли соответствуют механическим свойствам, необходимым для большинства коммерческих или промышленных требований.

★ Если вам требуются материалы, которые используются для изготовления для конечного продукта, вам следует рассмотреть FDM 3D-печать. Стандартные термопласты, такие как ABS, PLA и нейлон, обычно используются во всех основных отраслях промышленности и доступны на большинстве технологических платформ FDM. Прочностные и долговечные свойства FDM превосходят свойства SLA. Это улучшает тестирование продукта и позволит инженерам продвигать разработку новых продуктов с большей уверенностью и точностью.

Прочность и долговечность

Прототипирование и проверка продукта могут быть строгими процессами, включающими серию испытаний, которые приводят к значительному износу детали. Каждая отрасль должна в какой-то степени обеспечивать функциональность продукта, и мегакорпорации инвестируют большие средства, чтобы реализовать это. Как отмечалось ранее, прочность и долговечность материалов FDM превосходят SLA. Материалы ASA, напечатанные на 3D-принтерах FDM, обладают устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, что делает их идеальными для наружного применения (садовое оборудование, изделия для домовладельцев и т.д.). Нейлоновые материалы часто используются для автомобильных запчастей, которые требуют длительного срока службы.

Когда прототипы или производственные детали должны работать в суровых условиях, материалы SLA имеют тенденцию разрушаться, ломаться или деформироваться просто потому, что механические свойства не полностью соответствуют деталям конечного использования. При определении того, какая технология подходит для вашего бизнеса, не забудьте учесть, в каком типе среды изделия должны будут работать. Они могут хорошо выглядеть в лаборатории при испытаниях, но они должны функционировать и в реальном мире.

Напечатанный на 3D-принтере карабин выдерживает нагрузку в 500 кг в виде большого 3D-принтера

Точность и качество

Точность и качество - это субъективные термины, которые должны оценивать замысел дизайна. Например, те, кто работает в индустрии потребительских товаров и упаковки, требуют жестких допусков, поскольку они неизбежно перейдут на оснастку для пресс-форм и могут сильно повлиять на точность. Наличие быстрого принтера или расширенных возможностей материалов - это здорово, но соответствуют ли ваши печатные детали замыслу дизайна?

Если жизненный цикл разработки вашего продукта неизбежно включает массовое производство с использованием литья под давлением, SLA принтер может быть наилучшим вариантом для вас. Однако, если вам нужны высококачественные детали для промышленного применения, рассмотрите технологию FDM. Например, изготовленные на заказ светильники, предназначенные для работы в производственной среде, требуют максимальной функциональности и не обязательно должны обладать косметическими качествами. Понимая замысел дизайна вашей детали, вы можете управлять ожиданиями и определять, какая технология 3D-печати подходит именно вам.

Области применения и отрасли промышленности

По данным AMFG, ассортимент 3D-принтеров растет во всех магазинах по всему миру, о чем свидетельствует то, что более 70% предприятий находят новые приложения для 3D-печати (Scultpeo, 2019). Кроме того, число производителей, использующих 3D-печать для полномасштабного производства, удвоилось в период с 2018 по 2019 год, и ожидается, что общий объем рынка превысит 20 миллиардов долларов к 2022 году с ожидаемым средним показателем между 18,2—27,2%. Это представляет широкий спектр отраслей и вариантов использования, которые продвигают 3D-печать дальше, чем когда-либо прежде.

Аэрокосмическая отрасль

Охватывая авиационное, космическое и спутниковое производство, аэрокосмическая промышленность является наиболее передовой, когда дело доходит до 3D-печати и внедрения технологий. Строгие требования к функциональности ограничивают 3D-печать SLA просто потому, что материалы плохо работают в сложных условиях.

Однако для разработки прототипов и внутренних компонентов кабины были использованы передовые термопластичные материалы для технологии FDM, обладающие улучшенной прочностью или свойствами ESD (перевод с англ. - материалы для электростатического разряда). Как уже упоминалось ранее, преимущества, присущие созданию легких конструкций с использованием FDM-печати, являются уникальными требованиями аэрокосмического рынка.

Автомобильная отрасль

Автомобильный рынок славится использованием ABS-пластика и полипропилена для создания прототипов и конечного продукта. Поскольку для большинства их применений требуются прочные и долговечные материалы, FDM, как правило, является наиболее распространенной технологией 3D-печати для прототипирования, приспособлений, направляющих для сверления и производств небольших объемов. Обычно автомобильным инженерам требуются материалы с улучшенными свойствами химической стойкости, которые продолжают работать при воздействии бензина и других химических веществ, что оправдывает использование FDM. Тем не менее, SLA имеет преимущество в печати прозрачных деталей, используемых для тестирования отражателей и осветительных механизмов.

Потребительские товары

Индустрия потребительских товаров охватывает все - от кухонной техники до игрушек, от портативного оборудования до электронных устройств. Скорость выхода на рынок крайне важна, поэтому разработка нового продукта требует быстрых итераций и немедленной обратной связи.

Нередко обе технологии используются в процессе прототипирования или раннего тестирования. Например, портативное устройство может иметь корпус из ABS-пластика, усиленный ESD, в сочетании с мягкой сенсорной ручкой из TPU, напечатанной на SLA. Чаще всего возможность печати в высоком разрешении с помощью SLA более привлекательна для производителей потребительских товаров по сравнению с FDM.

Здравоохранение и медицина

Рынок здравоохранения включает разработку медицинских устройств, учебные стенды и специализированные инструменты для рынка стоматологических и слуховых аппаратов. Как правило, рынок медицинских изделий требует стерилизации прототипов и деталей, что означает, что материал должен выдерживать определенные температуры в процессе, называемом автоклавированием. Технологии SLA и FDM предлагают соответствующие материалы, но для этого требуется некоторое предварительное исследование.

Учебные стенды, как правило, требуют высокого разрешения, поскольку они используются в образовательных целях, что делает SLA идеальным выбором. Стоматологический рынок славится использованием SLA, а рынок слуховых аппаратов разделен между SLA и FDM. В связи с характером рынка здравоохранения и важностью печати мельчайших деталей SLA является наиболее предпочтительным.

Образование

Исследовательские и академические институты по всей стране массово внедряют технологии FDM и SLA. Нет ни одного университета без пространства для прототипирования, и большинство средних школ начинают использовать 3D-печать различными способами. Как правило, она используется для того, чтобы мотивировать учеников пробовать новые технологии и развивать своего внутреннего предпринимателя.

Многие исследователи заинтересованы в расширении возможностей материалов, которые делают 3D-печать жизнеспособным вариантом в будущем. Независимо от того, является ли целью исследование или обучение студентов, большинство университетов и учебных заведений склоняются к FDM из-за относительно низкой стоимости и простоты оборудования. Постобработка может быть сложной задачей при использовании SLA, поэтому FDM является более удобным вариантом для студентов. Кроме того, будущее FDM выглядит ярче, когда речь заходит о расширении материалов для производственных целей.

Ответы на популярные вопросы

SLA прочнее FDM?

Детали, изготовленные по технологии SLA из специальной смолы не имеют той же прочности, что и материалы, используемые в FDM печати - ABS и PLA. К тому же, можно использовать филаменты с углеволокном, тем самым значительно повысить прочность изделия.

Технология SLA быстрее, чем FDM?

В целом 3d-печать SLA выполняется намного медленнее, чем FDM-печать. Из-за небольшой площади поверхности лазера на создание каждого слоя уходит больше времени. С помощью технологии FDM вы можете выбрать высоту слоя, что обеспечивает гораздо более быструю и вариативную 3D-печать. Но в то же время качество поверхности печати SLA будет более гладким.

Что лучше: филамент (FDM) или смола (SLA)?

Всё зависит от ваших потребностей. Обычно филамент дешевле и позволяет производить изделия большого размера. Но с помощью смолы можно добиться большей точности и гладкости поверхности.

Насколько быстры FDM принтеры?

Для формирования детали 3D-принтеры FDM укладывают длинную линию пластика в нужную форму. Чтобы определить, с какой скоростью печатает машина, вы можете измерить длину этого материала. Типичная скорость 3D-принтера FDM составляет от 50 до 150 мм/час. Но есть также более быстрые принтеры, которые работают со скоростью до 500 мм/час.

Вывод

Каково ваше дизайнерское намерение? Какие проблемы 3D-печать решит для вас сегодня? Завтра? Каковы наиболее важные факторы при определении затрат на полное переоборудование вашего предприятия (рентабельность инвестиций, производительность, инновационность)?

Чтобы быстро обобщить представленную выше информацию, технологии 3D-печати FDM и SLA имеют свои преимущества и недостатки, когда речь заходит о конкретных областях применения или использовании на практике. При создании более крупных прототипов или промышленных деталей учитывайте преимущества FDM по максимальному размеру и стоимости производства. При определении того, какие материалы соответствуют вашему замыслу, внимательно изучите их совместимость и оцените преимущества каждой технологии - FDM более надежен в практическом применении, в то время как SLA обеспечивает более высокое разрешение и лучшую точность.

Существуют тысячи примеров, когда вышеупомянутые отрасли интегрировали технологию SLA или FDM, поэтому, хотя это сравнение дает некоторую информацию, оно не завершает всю картину. Не каждая отрасль, производственное предприятие или конструкторское бюро действуют одинаково. Поэтому мы рекомендуем проконсультироваться с экспертами, чтобы определить, какая технология будет наилучшим выбором.