Содержание
- Что такое фотополимерная 3D печать, ее преимущества и недостатки.
- Разновидности фотополимерной печати.
- Что можно изготовить с помощью фотополимерной печати.
- Выводы.
- FAQ.
Что такое фотополимерная печать?
Фотополимерная печать - собирательное название нескольких технологий аддитивного изготовления 3D объектов (SLA, DLP, LCD) из жидкого пластика, отверждаемого в нужное время в нужных местах ультрафиолетовым светом. Пластик, способный на такую реакцию, называется фотополимером или (в народе) “смолой” за внешнее и физическое сходство с этой вязкой и липкой жидкостью.
Технология в чем-то схожа со стандартной FFF 3D печатью. В том и другом случае модель последовательно наращивается слоями, начиная от стола и до самого конца. Однако между способами существует множество принципиальных отличий, в основном вызванных состоянием сырья и способом его укладки. Даже внешне фотополимерный принтер мало похож на своего FFF коллегу.
Движущихся осей в “фотополимернике” как правило всего одна штука - а именно ось Z. Перемещение по осям X и Y успешно заменяется на движение световых лучей и пятен. Стол изначально погружается в ванну с жидкой “смолой” и в процессе печати движется вверх или вниз в зависимости от конструкции принтера. Рабочая зона в обязательном порядке закрывается прозрачным кожухом, как правило желто-розового цвета. Кожух защищает фотополимер от высыхания, исключает попадание внутрь пыли и прочих инородных частиц, прозрачность позволяет наблюдать за процессом в реальном времени, а розовый цвет не пропускает вредное ультрафиолетовое излучение наружу.
Мощность и время воздействия УФ излучения подбирается таким образом, чтобы свет проникал в полимер не глубже, чем на заданные сотые и тысячные миллиметра. Благодаря чему толщина одного слоя печати составляет всего лишь порядка 35 - 50 микрон, что в десятки раз меньше, чем при печати пластиком из прутка. С одной стороны это минус - времени на изготовление даже небольшой модели уходит много, с другой - геометрия такой же модели в десятки раз тоньше и точнее. Пожалуй, это главное преимущество фотополимерной печати - с ее помощью получаются детали с недоступной для FFF технологии миниатюрностью в деталях и практически без характерных “ступенек”.
Следует добавить к преимуществу отсутствие обязательного для механической печати шва, с которым многие безуспешно борются годами. Фото-слой создается одновременно по всей поверхности печати. Отсюда же вытекает следующее преимущество - время формирования одного слоя не зависит от его площади. Можно поставить на печать одну деталь или заполнить ими всю поверхность стола, времени на создание уйдет одинаковое количество.
Совсем недавно к недостаткам фотополимерной печати я бы отнес невысокую прочность получаемых деталей. Однако химическая наука и промышленность делает впечатляющие успехи в этом направлении. Уже сейчас доступны “смолы”, по физическим характеристикам сравнимые с привычными PLA, ABS и даже TPU и нейлоном. В дальнейшем этот список будет расти и, возможно, скоро материалы станут еще крепче своих аналогов. Кроме того, благодаря микронным слоям, изделие получается практически монолитным и равномерно прочным в любом направлении, чем не может похвастаться печать FFF с извечной проблемой “вдоль” или “поперек”.
Химия широко шагает и в сторону ускорения отверждения полимеров. Время засветки неуклонно сокращается, а значит растет скорость печати. Возможно, качественный скачок, когда выращивать детали из жидкого пластика станет гораздо быстрее, чем печатать из твердого, уже не за горами.
Жирным минусом фотополимерной печати является ее расходный материал. “Смола” капризна, должна храниться в герметичной светонепроницаемой емкости при определенных температурных диапазонах. Со временем деградирует даже в идеальных условиях - сохнет, полимеризуется, комкуется, теряет текучесть и физические свойства. Срок хранения полимера в лучшем случае всего лишь около 1 года.
“Смола” крайне тягуча и липуча, попав на одежду или другие ценные предметы, будет держаться за них изо всех сил. Кроме того, она токсична при контакте с кожей и особенно при попадании в глаза и на слизистые оболочки. Работать следует обязательно в перчатках и защитных очках. Токсичны и ее пары́, работать следует при хорошей вентиляции рабочего места и/или используя индивидуальные средства защиты дыхания.
“Смола”, в среднем, дороже филамента в несколько раз, особенно ее качественные брендовые варианты. Экономия на недорогом продукте может выйти боком, фотополимерная печать сильно зависит от качества материала. Залив в ванну жижу неизвестного состава и происхождения, можно запросто испортить многочасовую работу, а заодно и принтер.
Когда FFF принтер заканчивает работу, деталь отделяется от стола и на этом сеанс материализации объекта завершается. После фотополимерной печати вам предстоит непростой квест с отмыванием детали и принтера от остатков “смолы” и дополнительной УФ засветкой для придания изделию финальной прочности. Помывка потребует времени, драгоценного спирта (для растворения жидкого полимера) и множества салфеток. В последнее время химиками найден рецепт водорастворимого полимера, что частично облегчает жизнь и удешевляет постобработку, но все равно по уровню возни процесс не сравним с FFF печатью.
При проектировании моделей следует учитывать технологию производства. В частности, избегать замкнутых полостей, откуда жидкий полимер не сможет вытечь в процессе печати.
Подводим промежуточные итоги. Фотополимерный способ изготовления объемных предметов дороже, зачастую намного дольше, сложнее, опаснее, требует большей квалификации от пользователя. За это мы получаем на порядок более качественное изделие, многократно превышающее своей точностью и тонкостью деталей возможности FFF принтеров.
Разновидности фотополимерной печати
Их всего три, если не считать редкие и опытные образцы разной степени перспективности.
LCD (Liquid Crystal Display)
Используется в 99,9% современных бытовых и бюджетных профессиональных принтерах. Здесь и далее под фотополимерной печатью будем иметь именно эту технологию. Отверждение происходит при помощи мощной ультрафиолетовой засветки, проходящей через ЖК-матрицу. Жидкокристаллический экран пропускает свет только на участки, подлежащие полимеризации на данном слое и блокирует там, где материализация не нужна. Точность размеров определяется разрешающей способностью ЖК экрана, которая постоянно увеличивается по мере развития прогресса. Недавно экран 854х480 точек считался нормой, теперь 2К-4К уже не предел, существуют принтеры 8К и более.
Технология считается наиболее простой и перспективной. Принтеры недорогие, компактные, простые в эксплуатации и обслуживании. Однако грешат паразитной засветкой и требуют довольно длительного времени на один слой.
DLP (Digital Light Processing)
Технология, известная аж с 1987 года. В качестве источника УФ света используется проектор, подсвечивающий сразу весь слой. Изначально изображение формировалось при помощи тысяч микрозеркал, но это было очень сложно, дорого и ненадежно, позже картинку слоя стали передавать в виде своеобразного слайда, подготовленного компьютерной программой.
Принтеры DLP продаются до сих пор, они работает быстрее за счет большей мощности излучателя, но значительно сложнее, дороже, массивнее, тяжелее и сложнее, поэтому активно вытесняются более современными, быстро развивающимися моделями LCD.
SLA (Stereolithography Apparatus)
Самая древняя технология фотополимерной печати, изобретенная в середине 80-х годов. В SLA принтерах применяется лазер, который выборочно засвечивает поверхность жидкого полимера, тем самым быстро и точно отверждая нужные участки. В отличие от предыдущих способов, в процессе печати рабочий стол SLA принтера не поднимается вверх, а опускается вниз, в глубину фотополимера, по этой причине “смолы” требуется значительно больше - полная емкость размером с зону печати. За движение лазера отвечают зеркала, управляемые гальванометрами по двум осям. По завершению слоя поверхность емкости дополнительно выравнивается специальным “скребком” - рекоутером.
Полностью напечатанная деталь выплывает на столе из лужи полимера как жидкий Терминатор.
Разумеется, устройство такого принтера на порядки сложнее всех перечисленных выше. Он гораздо дороже, габаритнее и сложнее, требует непростого, частого и квалифицированного обслуживания. Не годится для бытового использования и даже мелкого бизнеса.
Что можно изготовить с помощью фотополимерной печати
Основное направление, конечно же, декоративное. Скульптуры, статуэтки и прочие красивости, которые выглядят практически как рукотворные, вырезанные мастером из камня или бивня мамонта. А обработанные и окрашенные и вовсе не отличить от настоящих произведений искусства (которыми они, в общем-то, и являются).
Прототипирование. Быстрое изготовление моделей будущих серийных изделий, которые, возможно, будут совсем из других материалов. Посмотреть, как оно выглядит вживую, пощупать, примерить по месту, все это гораздо нагляднее, чем на плоских чертежах.
Моделирование. Сотворить точную миниатюрную модель танка, самолета, автомобиля, и прочей исторической, современной или футуристической техники своими руками - бесценно.
Изготовление мастер-модели для литья в силикон. Практическое применение для ювелиров. Бесконечные дали для творчества.
Для стоматологов открылись возможности быстрого и качественного моделирования зубов, коронок, мостов и прочих вставных челюстей. Теперь, благодаря 3D технологиям, помощь пациентам оказывается гораздо быстрее и качественней, чем раньше.
Всех применений не перечислить, список ограничивается лишь размером рабочего пространства принтера, физическими свойствами материала и фантазией пользователя. Если последнего у человечества всегда хватало, то первое и второе постоянно улучшается, быстро догоняя желания.
Выводы
Фотополимерная печать - высокоточный, технологичный и перспективный вид аддитивного изготовления 3D предметов. Имея ряд явных преимуществ перед FFF принтерами, фотополимерники опережающими темпами сокращают недостатки, приближаясь к традиционным технологиям по прочности, долговечности и универсальности. Робко предположим, что фотополимерная печать одна из самых перспективных на сегодняшний день способов воплотить виртуальную модель в реальную. Возможно, LCD отправит FFF на пенсию уже в обозримом будущем.
FAQ
Есть ли способы увеличить скорость фотополимерной печати?
Теоретически можно увеличить мощность излучения и даже еще больше сократить длину волны, вплоть до рентгеновской, однако это потребует создания новых полимеров, которые будут ее успешно поглощать не глубже, чем на заданную толщину слоя.
Сопоставима ли прочность деталей, напечатанных LCD и FFF способом?
Новейшие смолы заявлены как аналоги ABS, PLA и TPU по химическим и физическим свойствам. Проверка этого утверждения производителей - вопрос отдельного исследования. Однако отсутствие ярко выраженной слоистости и шва уже играет на пользу прочности LCD печати.
Есть ли смолы с минимальным запахом и вредностью?
Да, производители постоянно совершенствуют свой продукт по многим направлениям, в том числе по экологическому. Современные дорогие смолы почти не имеют запаха и не вредят здоровью.
Как правильно хранить фотополимер и что будет, если этого не делать?
В герметичной непрозрачной таре при температуре 18-28 ℃. В противном случае он начнет полимеризоваться прямо в таре, появятся кристаллы, пузыри, изменится текучесть, произойдут прочие неприятные изменения, снижающие качество печати или делая ее невозможной. Сливая остатки из ванны, обязательно используйте фильтр для удаления твердых включений.
