Сравнение технологий 3d-печати пластиком.
FDM, SLS, SLA

• Принципах работы FDM, SLS и SLA принтеров
• Прочностных характеристиках отпечаток
• Показателях точности FDM, SLS и SLA технологий
• Стоимости и времени печати на 3d-принтерах по пластику
• Границах применения технологий

Описание и принцип работы FDM, SLS и SLA принтеров

 

FDM/FFF (экструзия пластиковой нити)

 

FDM 3d-принтеры являются наиболее популярными и доступными устройствами для трёхмерной печати пластиками. Это объясняется невысокой стоимостью оборудования и расходных материалов, богатым ассортиментом доступных полимеров, лёгкостью освоения технологии.

В основном такие машины применяются на этапе опытного производства - для проверки концепции будущего изделия (PoC) , простого прототипирования. Кроме того, FDM принтеры позволяют создавать инструменты и технологическую оснастку из конструкционных и тугоплавких термопластов, например, поликарбоната (PC) или полиэфирэфиркетона (PEEK).

Принцип работы FDM принтера заключается в плавлении пластика и дальнейшей послойной экструзии материала на рабочую платформу. При печати нависающих элементов формируются опоры из специального материала поддержек, который после завершения печати удаляется вручную или растворяется.

 

Установки позволяют быстро и при минимальных расходах получать нужные изделия. Вместе с тем, показатели точности аппаратов заметно ниже, чем у SLS или SLA принтеров. Поэтому FDM технология станет не лучшим решением для производства изделий со сложной геометрией, мелкими элементами и тонкими стенками.

 

SLS (выборочное лазерное спекание пластикового порошка)

 

 

 

SLS 3d-печать – наиболее оптимальное решение для применения в промышленном производстве. Лазерные принтеры способны изготавливать прочные и функциональные детали, в качестве расходного материала обычно используется полиамид (PA). Этот материал обладает отличными механико-температурными свойствами, устойчив к воздействию химикатов, УФ-излучения, воды.

Процесс работы принтера заключается в нанесении тонкого слоя порошка на платформу построения с последующим его спеканием лазером в точках, которые определяет система сканирования принтера. После завершения печати первого слоя, платформа опускается на высоту этого слоя, и процесс повторяется до тех пор, пока изделие не будет изготовлено полностью. SLS печать не требует использования материала поддержки для формирования опорных структур. Это объясняется тем, что в процессе построения изделие находится внутри неотработанного порошка, который и выступает в роли поддержки.

 

Высокая производительность, возможность печати инженерными полимерами, низкая стоимость за единицу изделия – все это позволяет применять SLS 3d-принтеры для мелкосерийного производства деталей конечного пользования. Например, распространена практика выпуска лимитированного количества продукции перед запуском массового производства. На этапе вывода продукта на рынок такое решение позволяет получить обратную связь от покупателей и убедиться в надлежащем качестве товара.

При мелкосерийном производстве порошковая 3d-печать гораздо выгоднее чем традиционные методы литья, предполагающие длительное создание дорогостоящих форм. Выгоднее как с точки зрения себестоимости изделий, так и благодаря возможности оперативного внесения изменений в дизайн деталей в случае необходимости.

На диаграмме ниже проиллюстрирована разница в стоимости производства компонента роботизированной консоли – при изготовлении партии до 150-200 единиц целесообразно использовать аддитивные технологии в качестве альтернативы литья под давлением.

 

 

SLA (стереолитография)

 

Стереолитография – первая появившаяся технология 3d-печати, ее история начинается с 80-х годов прошлого столетия. SLA 3d-принтеры работают с фотополимерными смолами и отличаются, прежде всего, самой высокой точностью в сравнении с другими аддитивными технологиями. Кроме того, фотополимерные машины позволяют получать изделия с исключительно гладкой поверхностью. Поэтому такие принтеры используются, как правило, для высокоточной печати прототипов, миниатюрных деталей, литьевых моделей. Широкое применение SLA машины находят  в медицине, стоматологии, ювелирном деле.  

Принцип работы SLA принтера  заключается в отверждении лазером жидкой фотополимерной смолы – этот процесс называется фотополимеризацией. Как и в случае с FDM технологией, при формировании объектов с нависающими элементами создаются поддержки. Разница заключается в том, что опоры всегда выполняются из того же материла, что и само изделие.

 

Главными недостатками фотополимерных принтеров считаются токсичность смол, трудоемкий и грязный процесс постобработки отпечаток, высокая стоимость фотополимеров и их ограниченный срок годности. После завершения печати модели требуется промыть для удаления остатков смолы, а затем поместить в УФ-ванну для окончательного отверждения и обеспечения оптимальных свойств материала. 

Сравнение прочности деталей, выполненных на FDM, SLS и SLA принтерах

 

Одним из основных параметров, иллюстрирующих прочность 3d-печатных деталей, является предел прочности при растяжении. Измеряется он в мегапаскалях (МПа) и демонстрирует, при какой нагрузке происходит разрыв опытного образца. Для проведения тестирования на 3d-принтере изготавливаются лопатки, которые затем фиксируются обоими концами на разрывной машине. Печатаются лопатки в трёх ориентациях – X (на боку), Y (лёжа), Z (вертикально).

 

 

Тип расположения образца в рабочей области принтера существенно влияет на его прочность. На первой диаграмме ниже представлены результаты тестирования образцов, напечатанных на FDM 3d-принтере Stratasys Fortus 450mc из тугоплавкого пластика ULTEM 9085 (PEI / полиэфиримид). Как видно, лопатка, изготовленная на боку (синие точки), выдерживает значительно более высокие нагрузки в сравнении с построенной вертикально (зеленые точки).

Таким образом, механические свойства пластиковых деталей, напечатанных методом экструзии анизотропны -  отличаются в зависимости от направления приложения усилия. Этот феномен практически отсутствует, когда речь заходит об SLS печати. Это видно на второй диаграмме, посвящённой исследованию поведения лопаток, выполненных из порошкового полиамида (PA 12) методом лазерного спекания. Так, наибольшая разница между прочностью лопаток составляет 10 МПа (при температуре -60°C), в то время как в случае с FDM такая же разница больше на 30 МПа. А, значит, SLS-печатные изделия изотропны.

То же самое можно сказать и про технологию SLA. Прочность моделей, выполненных из жесткого ABS-подобного фотополимера достигает 55 МПа вне зависимости от направления приложения усилия.

Из приведенного исследования можно сделать два вывода:

• Прочность в X направлении выше у образцов, напечатанных из PEI пластика методом экструзии. При этом нужно иметь в виду, что полиэфиримид является одним из самых прочных FDM полимеров, и работать с ним могут только технически сложные и дорогостоящие принтеры. Более простые материалы, как, например, ABS будут демонстрировать прочностные характеристики в направлении X, схожие с порошковым полиамидом. Таким образом, если прочностные показатели критичны только для одного направления приложения усилий, то целесообразно использовать FDM технологию.
• Если же требуется изотропность изделий, универсальность их механических свойств вне зависимости от направления, то правильным решением будет 3d-печать методом SLS или SLA.

Сравнение точности печати FDM, SLS и SLA принтеров

С точки зрения точности печати наилучшие результаты демонстрируют 3d-принтеры, работающие по принципу стереолитографии. За ними идут аддитивные SLS установки, а самой низкой точностью обладают FDM принтеры. Так, процент усадки изделий для SLA технологии составляет 0.1-0.5%; для SLS – 0.5-0.8%; для FDM – 0.6 -1.5%.

В таблице ниже приведены результаты исследования точности печати смесительного клапана, предназначенного для предварительного смешивания жидкостей. В исследовании осуществлялось сравнение размеров цифровой CAD модели клапана и размеров детали, напечатанной на 3d-принтерах по пластику. Для экструзионной печати использовался ABS пластик, для порошковой – полиамид; для стереолитографической – полипропиленподобная смола.

 

Сравнение скорости 3d-печати по технологиям FDM, SLS и SLA

Анализируя сроки изготовления деталей с использованием технологий трёхмерной печати нужно иметь в виду, что они не сводятся только лишь к времени 3d-печати. При планировании необходимо учитывать также временные затраты на подготовку оборудования к работе, выход принтеров на рабочие температуры, пост-обработку отпечаток.

Так, например, SLS принтер тратит 1,5-2 часа на нагрев рабочей области, столько же занимает процесс охлаждения. Кроме того, при переходе с одного материала на другой придется потратить значительное количество времени на очистку аппарата от остатков предыдущего полимера.

В случае с технологией SLA к чистому времени работы 3d-принтера нужно прибавить затраты на пост-обработку – промывку изделий и их окончательное отверждение в УФ-станции.

FDM технология с этой точки зрения является наиболее быстрой – принтеру не требуется большое количество времени на выход на рабочие температуры, пост-обработка деталей также не является затратным  процессом в большинстве случаев.

Возвращаясь к чистому времени работы оборудования, необходимо отметить, что этот показатель измеряется в количестве материала, которое принтер способен обработать за единицу времени -  как правило, используют мм/сек. Здесь также побеждает FDM печать, цифры представлены в таблице ниже. Также указано время изготовления смесительного клапана, рассмотренного в предыдущем разделе статьи.

 

Однако нужно иметь в виду, что при производстве малых и средних партий более выгодным решением с точки зрения скорости будет SLS технология – камера этих машин может быть заполнена не только по периметру рабочей платформы, но и в высоту. В результате, за одну рабочую сессию SLS принтер изготовит больше деталей в сравнении с FDM или SLA.

Стоимость 3d-оборудования и расходных материалов

Как и в случае со скоростью 3d-печати, себестоимость изготовления образцов зависит от нескольких составляющих, к ключевым затратам относятся:

• стоимость оборудования
• стоимость расходных материалов
• стоимость постобработки (оборудование + расходные материалы)
• стоимость рабочего времени оператора
• стоимость электроэнергии
• амортизация оборудования

 

Самой бюджетной технологией 3d-обработки полимерных материалов является FDM, так как не требует больших инвестиций ни в оборудование, ни в расходные материалы. Далее следуют SLS принтеры, стоимость которых значительно выше, равно как и цена на пластиковый порошок. Однако сегодня существуют варианты настольных SLS-установок, благодаря чему порошковая печать доступна не только крупным промышленным предприятиям, но также и представителям малого и среднего бизнеса. Фотополимеры для SLA принтеров потребуют больших затрат чем расходные материалы для FDM и SLS машин. Стоимость стереолитографических принтеров сопоставима со стоимостью SLS аппаратов. 

 

Компания Jetcom – профессиональный поставщик 3d-оборудования

Наша компания специализируется на интеграции аддитивных технологий в научно-исследовательские, производственные и бизнес процессы предприятий России. Мы поставляем как бюджетное оборудование профессионального класса, так и сложные промышленные системы. В ассортименте представлено также все необходимое для работы с техникой – расходные материалы, комплектующие, дополнительное оборудование.

Наши технические специалисты обеспечивают партнеров комплексной поддержкой – 3d-печать тестовых образцов, пуско-наладочные работы, инструктаж, гарантийное и постгарантийное обслуживание.

В каталоге 3d-принтеров по пластику Вы найдёте следующие категории продукции:

• Профессиональные и промышленные FDM принтеры
• Промышленные SLS принтеры
• Промышленные SLA принтеры

 

По вопросам подбора и поставки оборудования, пожалуйста, обращайтесь к нашим специалистам любым удобным для Вас способом.