100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Новая технология для 3D принтеров сокращает время печати в три раза

Год кардинального обновления: что ждет 3D-печать в 2021 году

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

2021 год открывает возможности для кардинального обновления индустрии 3D-печати. Пандемия COVID-19 уже оказала огромное влияние на все отрасли, и она побуждает мыслить по-новому и думать о расширении горизонтов инноваций и творчества. Из этого можно сделать вывод, что в 2021 году 3D-печать подчинится трем ключевым тенденциям: возврату к исходным позициям и переосмыслению производственных процессов, кастомизации не только продуктов, но и самих 3D-принтеров, а также быстрому созданию новых решений.

Предлагаем к прочтению перевод статьи за авторством сотрудников Materialise Кристофа Шемке и Брэма Смитса, подготовленный компанией iQB Technologies.

Подобная возможность перемен открывается миру не впервые. Apple представила iPod именно тогда, когда лопнул пузырь «доткомов». Alibaba запустила свой маркетплейс в разгар эпидемии атипичной пневмонии в 2003 году, а в 2008 году во время финансового кризиса образовалась Airbnb.

«В это время больших перемен мы должны предпринять смелые шаги и отказаться от всего, что не вписывается в формат будущего. Мы должны по максимуму использовать основные возможности таких технологий, как аддитивное производство. Они помогут нам начать мыслить по-новому и менять мир к лучшему», — утверждает Фрид Ванкраен, основатель и генеральный директор Materialise — компании, недавно отметившей три десятилетия работы в индустрии 3D-печати.

Аддитивное производство имеет смысл, когда оно позволяет людям принимать лучшие решения. Более того, кризис COVID-19 показал, что 3D-печать может эффективно решать возникающие проблемы, однако пока что полученные результаты не сыграли существенной роли в укреплении технологии. Ценность аддитивного производства заключается в их способности создавать вещи, которые невозможно получить другими производственными методами.

Такие возможности 3D-печати, как кастомизация, сокращение компонентов в сборке и уменьшение отходов означают, что решения, созданные аддитивным способом, по определению являются экологически устойчивыми, рациональными в долгосрочной перспективе и доступными всем членам общества. Чтобы создать фундамент для успеха, нам необходимо продолжать искать значимые и эффективные пути применения аддитивных технологий и постоянно рассказывать миру об их возможностях.

Год кардинального обновления: что ждет 3D-печать в 2021 году

В ходе совместной работы с врачами над созданием маски для неинвазивной вентиляции легких инженеры Materialise спроектировали и напечатали на 3D-принтере разъем для соединения со стандартным медицинским оборудованием

Кризис, вызванный COVID-19, не скоро исчезнет с горизонта. Тем не менее, он ожидаемо приведет к усилению позиций 3D-печати, увеличению ее гибкости и ценности. Именно с этим связаны тенденции, которые должны проявиться в 2021 году.

Не будем забывать о том, что ценность часто создается в начале цепочки, на этапе получения основных данных и требований клиента в электронном формате, и только потом, в конце, 3D-печать преобразует эту ценность в продукт. Следует переосмыслить цепочки ценностей, как это сделали Apple, Airbnb или Alibaba.

«Компании осознают, что им нужно действовать по-новому, и аддитивное производство дает им возможность реализовать изменения. Поэтому сильная сторона аддитивных технологий — не только и не столько создаваемые с их помощью продукты, а новое мышление и новые возможности», — отмечает Фрид Ванкраен.

1. Начинаем с чистого листа

Кризис COVID-19, повлиявший на все сферы нашей жизни, стал мощным стимулом для цифровизации. Климатический кризис, наступая с другой стороны, побуждает нас в глобальном масштабе переосмыслять состояние экономики и промышленности. Подобные кризисы стали возникать постоянно, и это означает, что мы больше не можем жить как прежде. Нам необходимо кардинально пересмотреть и модели функционирования производств, и существующие пути выхода из сложных ситуаций.

Постепенное развитие не поможет, как раньше, справиться с возникающими проблемами. К тому же процесс постепенных инноваций не оставляет места для революционных технологий, подобных аддитивным. Но если мы полностью переосмыслим наш подход к решению задач, мы сможем открыть путь абсолютно новым разработкам и инновационным процессам — как раз для этих целей аддитивное производство создавалось изначально.

Возьмем, к примеру, Airbus. Недавно компания объявила о планах ускорить разработку коммерческих реактивных самолетов с водородным двигателем и полностью отказаться от разработки гибридных двигателей. Этот означает, что к 2035 году мир сможет увидеть первый климатически нейтральный самолет с нулевым уровнем выбросов. Такие технологии, как 3D-печать, смогут сыграть существенную роль в реализации подобных инновационных концепций.

Как никогда ранее, глобальные кризисы побуждают промышленность к ускоренному внедрению технологических инноваций, что позволяет аддитивным технологиям играть действительно важную роль в проектировании и производстве.

«Компании осознают, что им нужно действовать по-новому, и аддитивное производство дает им возможность реализовать изменения. Сильная сторона аддитивных технологий — не только и не столько создаваемые с их помощью продукты, но и новое мышление и новые возможности», — поясняет Фрид Ванкраен.

«Аддитивные технологии освобождают проектировщиков из плена ограничений, присущих традиционным производственным технологиям, поэтому специалисты могут сосредоточиться на новых решениях, а не на продуктах. В результате благодаря аддитивным технологиям улучшается производительность, детали становятся легче, а количество затрачиваемого времени и расходов сокращается. До сих пор аддитивное производство лишь демонстрировало свой потенциал. Теперь у него появилась возможность показать свои способности непосредственно в работе», — рассказывает технический директор Materialise Барт ван дер Шурен.

Начать все заново не значит начать с нуля. Возвращаясь на исходные позиции, мы даем возможность новым технологиям по-настоящему проявить себя, раскрыть новые перспективы и новые возможности. Тогда единственным ограничением для перемен останется лишь наше воображение.

2. Персонализация процесса

«Общеизвестно, что уникальная и отличительная особенность 3D-печати — ее способность значительно сокращать стоимость кастомизации продукта. При этом часто упускается из виду, насколько важно дать инженерам и операторам возможность персонализировать и оптимизировать сам процесс печати», — утверждает исполнительный директор Materialise Петер Лейс.

Почему кастомизация процесса так важна? Разве идеальный мир аддитивных технологий — тот, в котором оператор просто нажимает на кнопку и печатает любой продукт на основе заранее установленных параметров? Неверно полагать, что один стандартный процесс 3D-печати подходит ко всем областям применения, тем более что это недальновидно и ужасно скучно.

Во-первых, это неправильно, поскольку 3D-печать — настолько гибкая технология, что если независимо от производимого продукта будет задействовано лишь несколько стандартных процессов, то ее потенциал по определению будет использоваться не в полной мере. Если вы хотите использовать аддитивные технологии по максимуму, то необходимо настраивать все параметры оборудования индивидуально для каждого изготовляемого продукта. В контексте прототипирования это не столь важно, так как усилия, затраченные на адаптацию процесса к конкретному продукту, могут быть амортизированы в лучшем случае при производстве небольшой партии. Поскольку 3D-печать все чаще используется в массовом производстве, необходимость разработки оптимальных процессов для каждого конкретного продукта становится все более очевидной.

Читайте так же:
Как вести себя в ДТП

Во-вторых, философия универсального процесса, подходящего для всех продуктов, недальновидна — она абсолютно не учитывает тот факт, что персонализация и локализация идут рука об руку. Иначе говоря, 3D-принтеры могут применяться только при распределенном производстве, когда местные операторы имеют возможность адаптировать процесс в соответствии с местными условиями. Как правило, первичные параметры устанавливаются централизованно, а затем инженеры настраивают более специфические вторичные параметры в соответствии с локальными потребностями.

Год кардинального обновления: что ждет 3D-печать в 2021 году

«Часто упускается из виду, насколько важно дать инженерам и операторам возможность персонализировать и оптимизировать сам процесс печати», — утверждает исполнительный Петер Лейс

Наконец, мир, в котором оператор не сможет применять в процессе печати свои личные знания и опыт, станет невероятно скучным, ведь человеку останется только нажимать одну кнопку. Мир стандартных процессов стал бы не только неинтересным, но и опасным: если нет возможности отличить операторов 3D-печати по их личному «почерку», то нет и конкуренции в индустрии, а отсутствие конкуренции означает отсутствие инноваций.

Таким образом, чем больше у операторов будет возможности настраивать, оптимизировать и персонализировать аддитивные процессы, тем больше раскроется их ценность. Да, 3D-печать должна стать быстрее, надежнее и эффективнее, но для этого ей в первую очередь необходимо стать более персонализированной.

3. Нельзя терять время

«COVID-19 поставил мир в условия постоянной спешки. И медики, и рядовые потребители сталкиваются с проблемами недостаточного количества и качества как основных медицинских, так и повседневных потребительских товаров. Причина в модели глобального рынка, основанной на централизованном массовом производстве. Вещи, которые мы привыкли воспринимать как должное, теперь не всегда доступны или больше не подходят для решения прежних задач, и новые решения приходится разрабатывать быстро», — рассказывает вице-президент Materialise по медицинскому направлению Брижитт де Вет.

Процесс цифровизации повсеместно ускоряется по мере того, как компании инвестируют в технологии, способствующие их адаптации к новой реальности, когда нужно восполнять пробелы в предложении, учитывать роль удаленной работы и локальных решений. Но на этом пути компаниям придется принимать различные решения, которые будут основываться на показателях риска, затрат и окупаемости инвестиций.

Год кардинального обновления: что ждет 3D-печать в 2021 году

Помочь предприятиям найти собственный путь к аддитивному производству могут консалтинговые услуги

3D-печать как раз из тех цифровых технологий, которые обеспечивают быстрый возврат инвестиций и низкие уровни риска и затрат, однако для ее внедрения, как правило, требуется продолжительная подготовка. Некоторые компании начали внедрять аддитивные технологии десять лет назад и вполне уверенно приближаются к своей цели, но те, кто лишь начинает знакомиться с 3D-печатью, больше не располагают такой роскошью, как время.

«В результате мы видим тенденцию к развитию услуг, которые ведут компании по пути аддитивного производства. Мы наблюдаем их рост, к примеру, в секторе здравоохранения, где ценность персонализированной медицины общеизвестна, но неопределенность недопустима: заказчик должен ясно понимать, что новые решения безопасны, эффективны и могут обеспечить высокое качество лечения. Помочь минимизировать риски подобных инвестиций и ускорить внедрение могут консалтинговые услуги — благодаря тому, что эксперты делятся своими знаниями о возможностях технологии и о правильном ее применении в каждом конкретном случае», — заключает Брижитт.

Перевод материала предоставлен компанией iQB Technologies. Авторы: Кристоф Шемке, Брэм Смитс. Оригинал на английском языке доступен по этой ссылке.

3D-печать, битва технологий, FDM vs SLA

Для начала немного истории. Основоположниками современной настольной 3D-печати принято считать две американские компании – MakerBot (основана в 2009 году) и Formlabs (основана в 2011 году). Каждая из этих компаний пошла своим путем, и результаты по истечении 10 лет у них разные. Первой на Олимп поднялась MakerBot, выпустив по-настоящему массовый, а главное доступный, с точки зрения простоты использования, принтер MakerBot Replicator 2. Его продажи росли бешеными темпами, и в 2013 году на пике успеха компанию решили продать за фантастические по тем временам деньги в 400 млн. долларов. Покупателем выступил ветеран 3D-печати, компания Stratasys, где молодой и энергичный стартап был скоро «похоронен» в корпоративных интригах. Другим путем пошла Formlabs. Компанию решили развивать, последовательно привлекая инвестиции. В итоге ее капитализация достигла 2 млрд. долларов, что существенно превысило стоимость Stratasys, вместе с купленным MakerBot. Обо всем этом в 2014 году Netflix снял очень интересный документальный фильм, который называется Print the Legend. Рекомендую всем, кому интересны темы предпринимательства, стартапов и технологий, его посмотреть.

На протяжении последних 10 лет две самые популярные технологии 3D-печати – FDM и SLA (для простоты будем называть так всю фотополимерную 3D-печать) развивались параллельными курсами и мало влияли друг на друга. И хотя можно припомнить успешный опыт, совмещающий обе эти технологии, каждый производитель 3D-принтеров выбрал одну, чтобы добиться наилучшего результата именно в ней. Так поступили, в частности, сегодняшние лидеры продаж FDM — голландская компания Ultimaker и китайская Raise3D. В этом же направлении развивается Formlabs, который является безоговорочным многолетним лидером по продажам SLA 3D-принтеров, неустанно развивая свой ключевой продукт. И тем не менее, начиная с 2019 года ситуация начала меняться, технологии начали конкурировать между собой, давайте рассмотрим, почему это произошло.

FDM/FFF технологии

Чтобы понять, как это случилось, нужно оценить базовые достоинства и недостатки обеих технологий. Начнем с более распространенной FDM/FFF технологии. Её принцип очень прост: пластиковая нить подается в экструдер, где плавится при определенной температуре в зависимости от типа используемого материала и через маленькое сопло (обычно диаметром 0,4мм) наносится слоями, формируя твердую 3D-модель. Технология настолько проста, что сейчас на рынке представлены устройства вполне приемлемого качества по цене до 15000 рублей. Это делает такой принтер максимально доступным широчайшему кругу покупателей, ибо пластиковая нить для печати также стоит вполне приемлемых денег — в среднем 1500 рублей за килограмм. Профессиональные 3D-принтеры можно купить в диапазоне от 100 тысяч до 1 млн. рублей, что также является доступным ценовым уровнем для подобного оборудования. Приемлемая цена — это конечно хорошо, но возникает резонный вопрос: что вы за нее получите? К сожалению, за 10 лет все минусы и плюсы FDM 3D-печати остались неизменными…

Плюсы

Это наилучший способ для быстрого прототипирования. Десятки прототипов своего будущего устройства вы можете напечатать разными видами пластика, разными цветами. Вы также можете создавать функциональные прототипы, свойства которых будут близки к свойствам конечного изделия. Себестоимость этих прототипов может быть очень низкой по сравнению с классическими технологиями фрезерования или использования пресс-форм. Вы можете быстро создавать модели сложных геометрических форм, используя растворимые субстанции в моделях принтеров с двумя экструдерами. Их широкий выбор позволит вам найти материал, изделия из которого после печати будут обладать необходимыми свойствами: повышенной термостойкостью, устойчивостью к низким температурам, масло-, бензо-, износо-, ударостойкостью.

Читайте так же:
Признаки того, что вы недостаточно спите

На рынке доступны сотни материалов для 3D-печати, за 10 лет накоплена огромная база знаний по ее применению для различных задач. Вы также можете печатать модели больших размеров, так как сейчас доступны модели принтеров с областью построения 1 метр по длине, ширине и высоте. Еще одним плюсом является то, что изделия после печати не требуют постобработки, они сразу готовы к использованию. Но если вы хотите улучшить их внешний вид, вы легко сможете их шлифовать, грунтовать, красить, склеивать между собой, сверлить в них дырки, делать резьбу и многое другое. Кроме прототипирования FDM принтеры чаще всего используют для мелкосерийного производства небольших элементов, ради производства которых нет смысла заказывать пресс-форму, так как общий тираж не оправдает затрат, а себестоимость при этом будет очень низкой.

Еще одним популярным применением FDM 3D-печати является макетирование, создание уникальных архитектурных, выставочных, демонстрационных или сувенирных макетов. Сейчас рынок предлагает большое количество декоративных материалов, не имеющих специальных свойств, но которые выглядят как дерево, сталь, бронза, мрамор, серебро или золото. Это позволяет создавать макеты без, либо с минимальной постобработкой, что существенно экономит затраты и время при их создании. Ну и конечно, не стоит забывать о самом популярном социальном сегменте таких принтеров – домашних пользователей, которые используют их как хобби, печатают детям фигурки, вазы для цветов, крючки, полочки и другие полезные или просто красивые модели. Себестоимость таких изделий низкая, и даже при среднем объеме печати покупка принтера окупается очень быстро. При этом вам не надо ничего моделировать, все модели доступны для бесплатного скачивания либо за символическую плату.

Минусы

Самое больное место технологии – низкая скорость печати. Увы, за 10 последних лет в этом направлении мало что изменилось. Чтобы напечатать, например, 15-ти сантиметрового гномика, придется ждать результата часами. Большие модели печатаются, соответственно, днями, а иногда неделями. Это значит, что о серийном производстве чего бы то ни было пока речи быть не может. Единственное нововведение в этой области, это создание ферм 3D-печати, которые решают проблему скорости количеством используемых принтеров. Назвать это решение технологичным язык не поворачивается, но, к сожалению, ничего другого производители FDM-принтеров пока не придумали. Низкая скорость — низкая производительность, а значит не стоит рассчитывать на FDM 3D-печать как на производственное оборудование.

Еще одним минусом является финишное качество моделей. Даже при самой низкой толщине слоя вы будете видеть слои на модели. И это не позволяет использовать 3D-печатные модели как конечный продукт. Вы вряд ли купите неприятный на ощупь чехол для мобильника и не захотите давать ребенку игрушку, которую не особо приятно держать в руках.

Ну и, пожалуй, последний существенный минус технологии FDM — оборудование не всегда абсолютно универсально. На практике это означает наличие многих «если». Так, если принтер в открытой камере, то его способность печатать высокотемпературными пластиками минимальна. Возможно, удастся напечатать маленькие, невысокие модели, но на большее рассчитывать не стоит. Если ваша модель принтера обладает максимальной температурой нагрева экструдера 260С, то пластики с более высокой температурой плавления вам будут недоступны. Если у вас цельнометаллический экструдер, могут возникнуть проблемы с печатью PLA-пластиком, а если тип подачи «боуден», то будет сложно печатать мягкими материалами и т.д. и т.п.

Еще один нюанс этой технологии – слабая адаптация оборудования к новым материалам. И если таковой появляется на рынке и вызывает ваш интерес, то с большой долей вероятности вам придется покупать и новый принтер. Этот минус не был таким явным до последнего времени, но именно развитие фотополимерной 3D-печати в последние году высветило и его.

Подводя итог анализу плюсов и минусов технологии FDM стоит отметить главное: она находится в застое и после прорыва, который был 10 лет назад, производителям не удалось существенно продвинуться. Удалось лишь снизить стоимость самих принтеров, что конечно же повлияло на их доступность и распространенность. Конечно, большинство моделей сейчас оснащено цветными дисплеями, Wi-Fi, встроенными веб-камерами, датчиками окончания нити, возможностью продолжить печать после отключения электричества, системами автокалибровки площадки и т.д. Все это упрощает работу с устройством, но, увы, не сделает FDM 3D-принтер производственным оборудованием.

Фотополимерная 3D-печать

Фотополимерная 3D-печать развивалась параллельно, но совсем другим путем. Принцип формирования объекта здесь основан на том, что фотополимерная смола становится твердой под воздействием источника света и формирует 3D-модель. Интрига заключается в том, что источник света может быть разный: SLA (лазер через систему зеркал), DLP (цифровой проектор), LCD/mSLA (LED лампа через LCD дисплей). На протяжении 10 лет шли эксперименты с этими тремя ветвями одной технологии. В итоге в 2019 году верх стала брать технология LCD/mSLA, главные преимущества которой — высокая скорость, появившаяся с внедрением монохромных дисплеев, низкая стоимость в силу простоты конструкции, высокое финишное качество, точность после внедрения дисплеев с разрешением 4K и, наконец, возможность делать принтеры с большой областью печати за счет наличия больших дисплеев. Еще одним важным преимуществом этой технологии является производительность: слой засвечивается целиком, вне зависимости от того, сколько моделей вы печатаете одновременно. Причем не важно, одинаковые это модели или разные. Это существенно влияет на производительность принтера, а следовательно, и на окупаемость. Стоимость подобных принтеров сейчас также начинается от 15000 рублей, а цена фотополимерной смолы в среднем составляет 4500 рублей за кг., что делает такие принтеры вполне доступными для широкого круга потребителей. Пионером в этих инновациях стала Тайваньская компания Phrozen, сделавшая себе имя именно на этой стезе.

А теперь давайте также рассмотрим плюсы и минусы этой технологии. Со временем они претерпели серьезные изменения.

Плюсы

Важнейшим плюсом фотополимерной печати является качество финишных изделий. Особенно это стало заметно в последнее время, когда произошел переход на дисплеи 4K с разрешением по XY от 32 до 50 микрон (в зависимости от размера дисплея). Это позволяет печатать модели по качеству сопоставимому с промышленным литьем, а также дает возможность соблюдать высокие требования по точности. Отмечаем также успешные разработки по увеличению скорости печати. Уже сейчас гномик высотой 15 см может печататься за час и выглядеть существенно лучше, чем при печати на FDM. Причем вы можете напечатать 5 одинаковых или разных гномиков за то же время, что делает производительность такого принтера существенно выше, чем у конкурента — FDM. Еще одно преимущество – это абсолютная универсальность вашего принтера: он может печатать любой смолой с длинной волны вашего принтера (обычно 405 нм). И даже если завтра появятся совершенно новые смолы с интересными свойствами, вы сможете спокойно использовать их на своем принтере, нужно только подобрать соответствующий профиль печати.

Читайте так же:
Лучшие кардио-упражнения для домашней тренировки — объясняем по порядку

В реальности так и происходит: появляются новые смолы с интересными свойствами и улучшенными формулами, и пользователи активно начинают их применять для своих задач. Производители делают их под конкретную, узкую задачу и таким образом гарантируют покупателю результат при правильном ее использовании. Примером тут могут служить смолы для хирургических шаблонов, временных коронок, элайнеров, ювелирных выжигаемых моделей и многие другие.

Минусы

К главным минусам фотополимерной печати стоит отнести, прежде всего, то, что в определенном смысле это «грязная работа». Связано это с тем, что сама печать является только первым из трех этапов получения готового изделия. Вторым этапом является промывка модели в спирте для удаления остатков смолы, а третьим — дозасветка в УФ-камере для окончательного отверждения. Сама смола может иметь неприятный запах, а процесс промывки в техническом спирте также не самая приятная процедура. Но получение качественного результата как искусство, которое требует жертв. Тем более, сейчас уже появляются смолы, которые можно промывать в обычной воде, хотя сам процесс промывки по-прежнему необходим.

Еще к одному минусу можно отнести стоимость смолы. С ростом объемов производства она дешевеет, и потребитель вправе ожидать дальнейшего снижения ее стоимости. Но сейчас она в 3 раза дороже пластиковой нити и это, безусловно, сказывается на себестоимости изделий. Также к минусам можно отнести недостаточно широкий ассортимент смол с различными важными свойствами, например мягкими (типа резины), жесткими, износостойкими, прочными и т.д. Рынок постепенно выравнивает предложение, но в этом направлении многое еще надо сделать.

К минусам смол необходимо отнести и их качественные характеристики. В процессе печати с большими процентами заполнения в модели возникает напряжение, модель может крутить, разрывать в местах сильного сопротивления и т.д. Кроме того, при печати сложных деталей и соединений смола дает усадку. Очень важно в данном случае ее правильно расположить, подобрать подходящий для этой задачи материал. Еще один подвох — невозможность печать двумя цветами или печатать с растворимыми поддержками. После их снятия на модели остаются заметные следы, которые надо убирать механическим путем, т.е. еще увеличивать процесс ручной постобработки. Этот недостаток пока технологически никак нельзя преодолеть.

Процесс фотополимерной печати может быть очень прост для типовых задач, особенно в сфере стоматологии, где опыт использования уже очень большой, но при решении нестандартных задач, в частности с допусками по точности моделей есть риск столкнуться с большим количеством подводных камней и ограничений.

Какая технология победит

Мы рассмотрели основные достоинства и недостатки FDM и SLA технологий, а теперь вернёмся к теме этой статьи, а именно конкуренции между ними. Почему почти десять лет они существовали параллельно, а теперь мы вдруг начали говорить о наметившемся соперничестве? К этому привело активное развитие SLA 3D-печати в последние 2 года, которое позволило создать принтеры достаточно дешевые, быстрые и большие. Изначально фотополимерная печать развивалась в парадигме решения задач конкретных индустрий, в первую очередь стоматологии и ювелирного производства. Это ставило перед производителями принтеров конкретную задачу, которую они должны были решить, чтобы быть успешными на рынке. В процессе поиска решения они смогли создать оборудование, которое способно решать гораздо более широкий круг задач: печатать быстрее, качественнее и создавать большее количество моделей за единицу времени, чем конкурирующие с ними FDM принтеры. Ну а для примера, давайте сравним флагманы от таких лидеров рынка, как Phrozen и Raise3D, чтобы сделать всю эту теорию наглядной.

Epit 5.1: как мы научили 3D-принтеры печатать сложные детали экономнее и в два раза быстрее

Стартап из Набережных Челнов создал новое поколение 3D-принтеров: оно позволяет компаниям повысить эффективность использования аддитивных технологий в производстве, НИОКР и промышленном дизайне.

Самые популярные FDM 3D-принтеры, печатая детали, наносят вещество слой за слоем. При этом в 70% случаев при печати возникают «навесные» элементы — фрагменты, которые не имеют под собой опоры и нависают над рабочим столом, как козырьки. Чтобы фиксировать такие детали, приходится печатать специальные поддерживающие конструкции (на них может уходить до 50% материала).

К тому же после печати эти опоры необходимо удалять: такая обработка нередко занимает много времени и не всегда безопасна — деталь может сломаться в руках из-за недостаточной прочности, и тогда придется все переделывать заново. А некоторые конструкции произвести таким методом просто невозможно: подпорки заполнят почти все пространство детали.

Решение, которое позволяет избежать этой проблемы, я подсмотрел в сфере металлообработки — там уже давно используются пятиосевые фрезерные станки. Идея в том, чтобы оснастить 3D-принтер поворотно-наклонным столом: с его помощью тело модели при печати всегда позиционируется так, чтобы каждый последующий слой строился с опорой на уже напечатанные элементы модели.

Пятиосевой 3D-принтер позволяет печатать сложные детали быстро, не тратя материал на создание поддерживающих конструкций и экономя время на постобработку. По сути мы позволяем сократить расходы и увеличить производительность: по нашим оценкам одна машина способна заменить два 3D-принтера прошлого поколения.

Пятиосевой принтер дает возможность печатать детали со сложной геометрией — например, действующие макеты трубопроводов, которые необходимы компаниям на этапе конструирования. Напечатать такое на обычном 3D-принтере не получится, а создание обычными методами займет много времени и сил. К тому же изделия, напечатанные на пятиосевом принтере, гораздо прочнее обычных. При печати новые слои вещества не просто наслаиваются друг на друга, а печатаются «внахлест» под разными углами — сломать такие детали гораздо сложнее.

Конечно, далеко не всем нужно печатать сложные и прочные изделия: потенциальные покупатели пятиосевого 3D принтера Epit 5.1 — это компании, оказывающие услуги 3D-печати, студии промышленного дизайна и конструкторские отделы производственных предприятий. То есть наша машина нужна именно для промышленного применения.

Семь лет назад я работал на предприятии, которое занималось производством пластиковых автокомпонентов, отвечал за маркетинг и создание новых бизнес-направлений.

Тогда для одного из проектов потребовалось изготовить прототип новой детали: делать это традиционными методами было дорого и долго (пришлось бы создавать литейную форму), поэтому я решил обратиться к фирме, которая занималась 3D-печатью. В то время это направление было на хайпе, и все рассуждали о том, что скоро 3D-принтеры будут на каждой кухне и в каждом гараже.

Читайте так же:
Альтернатива кофе — 10 самых необычных рецептов любимого напитка

Но действительность оказалась совершенно обескураживающей. Со своей задачей мы обратились в несколько компаний, которые занимались 3D-печатью в Набережных Челнах, но никто не смог сделать деталь по нашему запросу: она оказалась слишком сложной.

Поскольку по образованию я конструктор, то начал сам продумывать и искать варианты решения проблемы — и не нашел на рынке ничего похожего.

Создать команду оказалось сложнее, чем найти финансирование. Изначально я фокусировался на «железной» составляющей проекта и не задумывался о программном обеспечении, которое необходимо для эффективной работы 3D-принтера, поэтому стал искать разработчиков.

Знакомый эксперт тогда сказал мне: «Тебе нужны люди, которые, как и ты, не понимают, во что ввязываются» — потому что разработка ПО для такого принтера оказалась довольно специфической и долгой задачей.

Я стал обращаться в университеты Татарстана и соседних регионов — искать студентов, готовых взяться за нетривиальную задачу. Но откликнувшиеся студенты не смогли продвинуться в решении, и в итоге я нашел в Иннополисе Михаила Иванова, который стал разработчиком и моим партнёром в стартапе.

Второй человек, который нужен был в наш бизнес — тот, кто разбирается в электронике, специалист в области цифрового программного управления. В отличие от программиста, такой специалист не может работать удаленно, поэтому я искал человека именно в Набережных Челнах.

Потратив немало сил и нервов, я нашел всего двоих, обладающих необходимым уровнем знаний и способных реализовать мои задумки, и к счастью один из них, Павел Кожевников, и взялся за проект.

Получение финансирования, поиск команды и работа над принтером шли постепенно — и в апреле этого года мы создали MVP.

Увеличение скорости печати: оптимизация настроек

Еще один трюк, который часто можно применить к деталям с длинными тонкими элементами — подбор ширины линий для избавления от заполнения. Смотрите сами: если у нас есть подобного рода коробка с шириной стенки, например, 2,4 миллиметра, то при 2 периметрах по 0.4 миллиметра у нас посередине останется незанятый участок шириной 0,8 миллиметра. Слайсер в таком случае нарисует зигзаг для заполнения получившейся щели. И проблема в том, что этот самый зигзаг печатается из кучи мелких элементов с кучей поворотов, что очень не оптимально с точки зрения скорости. В этом случае если банально увеличить ширину линии до 0.6 миллиметра, то заполнение не потребуется вообще, и время на печать сократится очень сильно.

Конечно, то же самое можно сделать увеличив количество периметров. Банально ставим 3, и получается нужная нам толщина стенки в 2.4 миллиметра. И относительно печати заполнения посередине это будет очень большая экономия времени. Но вот в сравнении с увеличением ширины линии не факт: зависит от того, сможет ли хотэнд плавить достаточное количество пластика в единицу времени, чтобы обеспечить большую ширину линии без замедления движения головы. Если да, то ширина будет быстрее, если нет, то надо считать для каждого случая отдельно.

Толщина слоя

Еще одна вещь, которую многие предпочитают не трогать — толщина слоя. Часто люди ставят сопло 0.4мм, такую же ширину линии, и толщину слоя 0,2мм. то есть половину от ширины. В целом, это довольно оптимальное соотношение для прочности моделей и стабильности печати. Но на сопле 0.4 можно печатать слой и 0.3 миллиметра, что сократит общее количество слоёв в полтора раза, между прочим. А если увеличить ширину линии, то можно толщину поставить еще больше. Правда, тут уже прирост скорости будет не такой большой, так как чтобы через маленькое отверстие в сопле успевало пролезать достаточно пластика, скорее всего, придётся понижать скорость печати. Так что, опять же, считать надо для каждого конкретного случая.

Но увеличение толщины слоя сделает пологие элементы очень ступенчатыми, что может не подойти многим. И тут есть решение. Некоторые слайсеры поддерживают динамическую толщину слоя. Иными словами, на вертикальных участках она будет увеличиваться, повышая скорость печати, а на пологих уменьшаться, давая более гладкую поверхность. В Cura такое есть, но многие жалуются, что работает криво. В Prusaslicer оно управляется вручную. В целом удобно, но требует приложения сил чтобы переходы были плавными и равномерными, что часто просто лениво делать. Больше всего мне нравится как эта функция реализована в KISSlicer: выставляете в параметре layer_thickness минимальную и максимальную толщину слоя в процентном соотношении от ширины линии, и он довольно корректно и плавно печатает модель. Красота.

Так же к изменению толщины слоя отнесу печать заполнения или поддержек раз в 2 или даже 3 слоя. Прикол в том, что часто для обеспечения высокого качества поверхности приходится ставить очень малую толщину слоя, например, одну десятую миллиметра на сопле 0.4. Но оно же может спокойно печатать толщиной слоя 0.3, а заполнение и поддержки никто не увидит. Так что почему бы не заставить принтер печатать их как раз такой толщиной, экономя движения, а значит и время? В куре это управляется параметрами infill_layer_thickness и support_infill_layer_thickness, в prusaslicer и simplify3d — combine_infill_every, в kisslicer — stacked_layers.

Заполнение

Далее разберёмся с заполнением. Конечно в большинстве случаев следует подбирать шаблон и плотность заполнения исходя из того, какая прочность необходима моделей. Но в художественной печати или в ненагруженных деталях заполнение используется скорее как поддержка для крышек. И тогда можно смело выбирать не самый крепкий, а самый быстрый шаблон.

Какой же шаблон является самым быстрым? Тут прямо однозначного ответа нет, так как это зависит от множества параметров механики принтера. Но, обычно, довольно быстро печатается гироид и зигзаг. Прикол в том, что для обеспечения такого же расстояния между линиями как у обычной сетки, например, у этих шаблонов надо уменьшить плотность вдвое. В Cura эти шаблоны так и называются, Zig-Zag и Gyroid, в Prusaslicer — rectlinear и gyroid, в simplify3d есть только rectlinear, в KISSlicer — straight и gyroid.

Так же отмечу, что в куре есть параметр connect_infill_lines или соединять_линии_заполнения. Из названия, по-моему, уже хорошо понятно уже что он делает, и это может сэкономить время почти на всех шаблонах заполнения. Суть в том, что вместо долгих ретрактов между концами линий заполнения, будет коротенькое перемещение с экструдированием, которое занимает меньше времени.

Еще одна интересная функция есть только в Cura и Prusaslicer только. В Cura она называется infill_support или поддержка_заполнения, в Prusaslicer — infill_only_when_needed. При включении этих параметров слайсер начинает воспринимать заполнение прям совсем как поддержки и строит их только там, где периметры имеют большой угол нависания. В целом, может сэкономить времени и материала, но часто делает модель совсем непрочной.

Читайте так же:
Нужно ли пить витамины? (видео)

Последнее относящееся к заполнению — переменная его плотность. На момент съёмки ролика есть только в Cura и активируется настройкой параметра gradual_infill_steps. Значение этого параметра — это количество раз, которое плотность заполнение будет уменьшаться вдвое ближе к низу модели. Таким образом большая часть модели может печататься с очень низкой плотностью заполнения, а к крышке она будет подниматься до нужных процентов. В KISSlicer, кстати, отдельно такой функции нет, но он автоматически строит заполнение с средней плотностью перед крышками. Тоже помогает ставить на большей части модели заполнение с небольшой плотностью и не испытывать проблем с крышками.

Поддержки

Часть модели, часто съедающая значительную часть времени — это поддержки. Почти все оптимизации относительно них касаются того, чтобы от них избавляться там, где можно. Конечно. в основном это относится к моделированию, а это мы будем рассматривать как-нибудь в следующих раз. Но и по настройкам есть что сказать.

В первую очередь разберёмся с нависаниями. Попробуйте напечатать обычный тест нависаний и посмотреть до какого угла вас качество устраивает. Прикол в том, что многие принтеры имеют мощную систему охлаждения и способны печатать до градусов 60 или даже больше, а штатно в слайсерах стоит 45-50, обычно. Эта, казалось бы, небольшая разница на деле фильтрует очень большое количество поддержек и позволяет не строить их там, где они на самом деле не нужны.

Вторая вещь, которая не требует поддержек — мостики. Если их правильно настроить, о чём я тоже планирую ролик снять, то можно печатать натянутые между двумя элементами горизонтальные дорожки длиной до 50 миллиметров или даже больше. В таком случае, зачем делать поддержки для них? Это только лишняя трата времени. Единственный слайсер, в котором можно автоматически определять мосты и не строить для них поддержки -Prusaslicer. В Cura и Simplify3d придётся вручную убирать поддержки, в KISSlicer с мостами и кастомными поддержками пока туго.

Скорость печати

Далее большой раздел, который напрямую относится к нашей сегодняшней теме — скорость печати. Частенько в слайсерах по стандарту скорость печати внешних и внутренних периметров, сплошного заполнения и поддержек снижена, причём часто еще вдвое от скорости печати. Многие люди почему-то не трогают эти отношения, просто пропорционально увеличивая значения.

И тут суть моего совета будет в том, что нет никакого правила, по которому отношения должны быть именно такими, какими они предстают в слайсерах по умолчанию. На деле никто не мешает вам печатать хоть все элементы с одинаковой большой скоростью, хоть даже ускоряться на поддержках, например. Просто вы должны подобрать для себя значения, при которых качество моделей не будет страдать, и всё.

Тот же совет я могу дать относительно скорости печати первого слоя. Есть такой приём, когда для лучшей адгезии модели к столу замедляют печать первого слоя или даже двух. Но если вы печатаете на хороший, цепкий клей пластиком, который легко к нему липнет — то зачем замедляться? Например, на UNI я для PLA, PETG, SBS и композитов ставлю скорость печати первого слоя миллиметров 60-80 в секунду, и всё прекрасно ложится и прилипает. Так что тут тоже поэкспериментируйте, нужно ли замедление это в целом.

Более продвинутая техника, которая может очень значительно снизить время печати, это управление ускорениями и рывками. Обычно ускорения печати в прошивке записывают оптимальные для печати внешних периметров, которые видно. Но многие принтеры могут печатать с сильно большими ускорениями давая незначительные косяки. И почему бы не увеличивать ускорения и рывки для внутренних периметров, заполнения или поддержек, например? В Cura управление ускорениями включается опцией enable_acceleration_control или включить_управление_ускорениями, и в выпадающем меню даёт возможность менять значения отдельно для каждого параметра. То же самое с рывками, только параметр называется enable_jerk_control или включить_управление_рывками. В Prusaslicer есть только управление ускорениями и доступно в профиле печати в вкладке infill. Важно, что работает это всё только на прошивке Marlin и совместимых по поддерживаемым командам.

Комбинг

Ну и напоследок расскажу о комбинге. Что это такое? Дело в том, что на откаты в 3д печати тратится до трети всего времени печати, в зависимости от сложности модели и конструкции экструдера. Но мы можем не делать откат, изменяя траекторию перемещения таким образом, чтобы не выходить за периметры модели или делать это минимально. Это обычно и называют комбингом, и зачастую оно даже увеличивает время печати при ухудшении качества моделей за счёт более длинных и сложных перемещений. Но есть один нужный нам инструмент, который обычно к комбингу относят — фильтрацию ретрактов.

В Cura в выборе режима комбинга есть вариант within_infill или внутри_заполнения — делать комбинг только внутри заполнения. Этот режим нам нужен чтобы без сопло не могло выйти за периметр без ретракта, а значит не делало блямб на модели. В дополнение к режиму идёт параметр max_comb_distance_with_no_retract. Если тут поставить 3-5 миллиметров, то на мелких перемещениях будет включен комбинг, а на крупных, где пластик уже успевает вытечь из сопла, будут делаться ретракты.

В Prusaslicer комбинг как бы есть, но фильтра по максимальной длине перемещения без ретракта нет, что делает его почти бесполезным — косячит на моделях часто. Но зато в профиле принтера есть параметр minimum_travel_after_retraction или минимальное перемещение после ретракта. Если между откатом и возвратом расстояние между указанного, то отката не будет.

В Simplify3d в вкладке advanced есть параметры, с помощью которых можно добиться примерно того же самого. Minimum_travel_for_retraction по работе аналогичен параметру из прюшаслайсеру, про который только что говорили.

В KISSlicer в вкладке Matl, аналогичный параметр называется min_jump. Перемещения меньше указанной тут длины точно не вызовут отката и вайпа. Ниже есть параметр trigger. Перемещения больше указанного в нём значения будут точно делать откаты. Между ними будет только вайп. Если хотите не заморачиваться, то ставьте их одинаковыми и считайте функцию работающей так же, как в других слайсерах.

Ну и в целом всё, основные методы оптимизации настроек относительно времени печати я описал. Напоследок дам один совет, который банален до жути, но всегда актуален: зачастую быстрее печатать медленно. Все эти оптимизации хороши тогда, когда не влияют на стабильность результата. Поэтому рекомендую внедрять их в свой обиход понемногу и тщательно тестируя и настраивая.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию