В определенный момент, в моей работе было такое время, когда я думал, что 3D-печать — это будущее любого производства. Теперь, имея некоторый опыт работы с 3D-печатью на недорогих принтерах, можно сказать следующее. Каждой технологии отведено свое применение в технике. Свое место есть и у 3D-печати. И оно не то чтобы как-то претендует оказаться заменой мехобработки на универсальных станках или же на ЧПУ. В текущей деятельности для быстрого прототипирования изделий мне часто приходится применять технологии 3D-печати. Ниже приводятся некоторые основные моменты, о которых полезно знать инженеру-конструктору при печати деталей из пластика. Так же статья полезна тем, кто планирует организовать производство и прототипирование разрабатываемых изделий при помощи 3D-печати.
Небольшое продолжение введения
Речь в статье идет о двух очень доступных с ценовой точки зрения типах печати: FDM и SLA. FDM (Fused Deposition Modelling) — это технология печати из пластика. Печать происходит путем накладывания этого пластика в расплавленном состоянии нитями слой за слоем на печатаемую модель. Для удерживания консольных (висящих) частей модели при печати, ПО генерирующее траекторию движения печатающей головки, генерирует также траектории печати поддержек и печатает их вместе с моделью. SLA (Stereolitography Apparatus) печать основана на том, что у специальной фоточувствительной смолы есть свойство отверждаться при облучении лазером или светом определенной частоты. Тоже есть автоматические поддержки для висячих слоев. Как правило, такая печать происходит с помощью засветки смолы в ванне с прозрачным дном. Засвеченный слой смолы оказывается слипшимся с металлическим основанием и, далее, с каждым последующим слоем.
Стоимость промышленных принтеров, применяющих другие технологии как правило сопоставима со стоимостью станка с ЧПУ. Хотя есть варианты подешевле, есть подороже. Можно отметить, что применяющие указанные две технологии принтеры доступны для покупки на Aliexpress (SLA, FDM).
ПО принтеров, как правило, принимает на вход файлы STL, содержащие триангулированную поверхность детали. САПР должна иметь возможность экспорта в такой формат.
Смолу для SLA печати можно использовать без принтера, если есть печка для постобработки. Автор использовал Biomed Clear вместо эпоксидного клея для заливки отверстий, подлежащих заглушению.
О точности. 3D-печать сопрягаемых деталей
Действительно, если обратить внимание на характеристики принтеров, то исходя из размера слоя, можно сделать вывод о следующем. 3D-печать по технологии SLA может иметь точность минимальной толщины слоя. Это не так. Смола запекается неравномерно. Отклонения могут быть не только от формы, но и от размеров в чертеже. Отклонения определяются ориентацией изделия на платформе печати, количеством и расположением поддержек, а также расположением детали при запекании в печке.
Возможность возникновения отклонений на детали после постпроцессинга (повело) остается в наше время высокой.
Печать сопрягаемых деталей, как правило, должна выполняться с большими полями допуска, чем обычно назначаются деталям из металла. Требуемое прослабление посадки зависит от пластика и его постобработки. Очень ярко это выражено на технологии SLA.
Отчистить поддержки от тех мест где планируется устанавливать герметизирующие уплотнения, при этом сохранив качество поверхности, очень сложно. Нужно следить за тем, чтобы поддержки туда не попадали.
Достичь герметичности сосуда из деталей, печатаемых по технологии FDM практически невозможно.
О постпроцессинге 3D-печати
Как упоминалось во введении, висящие части твердого тела (детали) во время её печали опираются на поддержки. Конечно, после печати следует убирать эти поддержки. Это так вне зависимости от того, какой печатью идет 3D-печать. Кроме того, SLA-печать требует промывки и запекания детали после печати. Это зависит от технологии и крутизны используемого принтера, но это распространенный вариант (Formlabs). Из этого следует: при промывке нужна ультразвуковая ванна и печка для постпроцессинга (запекания — окончательного затвердевания при облучении и повышенной температуре) смолы. А ещё из этого следует, что время изготовления детали на SLA-принтере увеличивается за счет постпроцессинга.
Удаление поддержек в печати обоих типов производится механически. Следует быть осторожным при обламывании кусочков с поддержками. Это увеличивает время обработки. А также вносит риск повреждения детали, если она не очень прочная.
В целом, одну несложную деталь, не более чем на 100 грамм методом SLA можно изготовить за 3-4 часа. С постобработкой.
О биологической совместимости и стерилизуемости
Одним из преимуществ 3D-печати является безопасность для организма человека запеченной и промытой детали, изготовленной методом SLA. Этот момент используется в стоматологии. FDM 3D-печать тоже может быть осуществлена материалом более-менее безвредным, однако применение в биомедицинских целях пластиков для FDM печати ограничено из-за пористости получаемых изделий (в порах при производстве копится трудно удаляемая грязь), а также из-за их нестойкости к высоким температурам.
Для стерилизации изделий, применяемых в медицинской и биотехнологической технике могут быть применены три способа стерилизации: газовая, электронно-лучевая и лучевая (гамма-изгучением), а также автоклавирование перегретым паром. Способы кроме газовой стерилизации влияют на распечатанные детали. Необходимо пробовать: возможно ли автоклавировать прототип в сборе. Автор лично сталкивался с разрушением собранных изделий в автоклаве, а также с нарушением качества поверхности при автоклавировании детали из Biomed Clear Resin. Это что касается SLA. PLA-пластик в автоклаве просто расплавится. Лучевая стерилизация приводит к «перезапеканию» материала. Он визуально становится темнее. О сохранении химической стойкости полимерной смолы в «перезапеченном» состоянии мне не известно. Собранное изделие из смолы (SLA) при автоклавировании может ломаться по местам сопряжения деталей.
О прочности
FDM 3D-печать выдает детали с явной анизотропией прочностных свойств. Вдоль слоев деталь легко ломается на изгиб. Те материалы для печати по SLA-технологии, с которыми я имел дело, обладали изотропными прочностными свойствами. Их прочностные характеристики не зависят от ориентации волокон и направления печати. Следует также заметить, что компании, поставляющие материалы для печати имеют материалы для разных целей. Материалы могут отличаться друг от друга по прочности. Например, Biomed Clear является хрупким пластиком. Его очень сложно сверлить так, чтобы деталь не треснула. Резьбу нарезать ещё сложнее. Отвердевшая смола, если похожа на эпоксидный компаунд, то она крошится под метчиком или плашкой.
О технологии
У конструктора, моделирующего в САПР детали для 3D-печати может выработаться привычка создавать формы именно под печать на принтере. У деталей созданных таким образом могут быть сложности при изготовлении на стандартном (токарном/фрезерном) металлорежущем оборудовании. При наличии сомнений, на каком оборудовании будет производство следует делать универсальную форму деталей, чтобы не переделывать модели и чертежи детали под разные производства.
Следует иметь ввиду пористость PLA и отсутствие адгезии к светочувствительным смолам при выборе грунтов и лакокрасочных покрытий для деталей изготавливаемых не принтере.
Для формирования резьбы на хрупком пластике её придется смоделировать, не забыв про ослабленные допуска. Нарезание плашкой или метчиком может не выйти и деталь придется выбрасывать. При большом количестве резьб это очень вероятно. Желательно, чтобы в САПР был инструмент создания как детальной, так и схематичной резьбы на электронной модели.
3D-печать подходит для проверки собираемости, но следует иметь ввиду вот что. При наличии посадок, металлические сопряжения будут иметь одни посадки, а печатные — другие. И печатные надо отражать в модели. Поэтому печатная модель не всегда подходит для изготовления детали на ЧПУ. Даже если с топологией построения траекторий все в порядке.