Принцип работы фотополимерного 3D принтера – подробная инструкция

Трёхмерная печать долгое время была малодоступной технологией по причинам высокой стоимости оборудования, недоступности качественного сырья.

Однако развитие этого технологического направления, появление новых моделей печатающих устройств, отечественных пластмасс высокого качества, расширение возможностей применения и снижение стоимости расширило спектр её применения. Её всё чаще используют в промышленном производстве, образовании, медицине. Она стала обычным гаджетом в домах непрофессиональных пользователей, увлекающихся моделированием. Многими моделями пользуются даже дети. Эта статья посвящена разбору принципов работы фотополимерного 3d-принтера, этапов печати, а также направлений использования.

Что такое 3D-печать фотополимерами

Это технология, заключающаяся в подсветке фотополимера по алгоритму, заданному слайсером – программой для работы с устройством трёхмерной печати. Фотополимерная смола, выступающая в роли сырья, обладает свойством затвердевать под воздействием УФ-лучей. Именно она стало основой для конструкции печатающего устройства, которое могло бы производить геометрически сложные модели с идеально гладкими поверхностями и высокой детализацией.

Как устроен фотополимерный 3D принтер и как он работает

Конструкция состоит из:

1. Закрытой рабочей камеры.
2. Вертикально передвигающегося стола, на котором производится печать. Плоскость закреплена на вертикальной оси, она является единственным подвижным элементом конструкции.
3. Ёмкости для фотополимерной смолы, расположенной в нижней части печатающего устройства.
4. Выравнивающего устройства, которое используется для ускорения процесса.
5. Облучателя, делающего модель твёрдой. Подсветка производится лазером или светодиодным проектором.

Модель воссоздаётся вверх ногами. Печать происходит по следующей схеме:

1. Платформа погружается в полимерную смолу на уровень одного среза цифровой модели.
2. Выравниватель разглаживает его, делая идеально ровным.
3. Затем сфокусированный УФ-луч обжигает слой, делая его твёрдым (полимеризует). Луч может двигаться по осям X и Y, за это отвечают зеркала.
4. Когда первый слой вычерчен и полимеризован, платформа опускается ещё на один слой и процедура повторяется.

Процесс длительный по времени, поэтому слишком большие изделия таким способом не изготавливают.

Способы печати и виды фотополимерных 3D-принтеров

Выше описана конструкция одной из первых моделей фотополимерного принтера. Метод печати на ней называется лазерная стереолитография (в английской аббревиатуре SLA).

Проектная стереолитография (DLP)

Принципиальное технологическое новшество заключается в применении более эффективного способа высвечивания каждого слоя. Вместо лазера с зеркалами на принтере установлен проектор, который сразу засвечивает целый слой. Это значительно ускоряет печатание. Отсутствие зеркал увеличивает точность воспроизведения, а также делает аппарат менее чувствительным к физическому воздействию.

Проектор размещается под прозрачной кюветой с полимером, а платформа движется вверх. Такое конструктивное решение даёт возможность создавать более крупные объекты, поскольку теперь их высота не ограничивается глубиной кюветы.

Многоструйная печать (MJM и PolyJet)

Обе технологии практически не отличаются, а разница в названиях произошла в результате того, что их запатентовали разные фирмы. Технология сочетает черты струйной трехмерной печати (3DP) и проекторной стереолитографии (DLP).

Фотополимер напыляется с помощью линейных массивов, состоящих из множества сопел и одновременно засвечивается УФ-лампами.

Помимо ещё более высокой скорости печати, обе модификации отличаются возможностью:

• создавать композитные структуры с разными физико-химическими характеристиками;
• создавать разноцветные модели с легко удаляемыми поддержками;
• использовать гибкие и твёрдые материалы в одном принте.

Этапы трёхмерной печати

1. Разработка модели в электронном варианте. Для создания объёмных макетов для дальнейшей распечатки разработано множество приложений, например, AutoCAD или Tinkercad. Но для работы с ними нужны навыки. Вариант попроще – найти в интернете на специальных сайтах готовое трёхмерное изображение. Если выбрали второй вариант, то тщательно отбирайте модель, изучите отзывы и рейтинги. От этого зависит качество распечатки.

2. Подготовка разработки к печати. Чтобы 3D-принтер «понял», что делать, модель надо экспортировать в требуемый для него формат, например, FBX, .3DS. Затем разместить разработку в слайсер – вид софта, делящий изделие на слои, которые потом один за другим и будет печатать принтер. Также программа генерирует D-код, отражающий параметры печати, который передаётся на печатающее устройство.
3. Отправка файла на печать. Это делается обычным способом, используя сетевой шнур или любой вид съёмного носителя. Файл отправится на принтер в формате gcode.
4. Подготовка печатающего устройства предполагает заполнение ванночки полимером и обработки рабочего стола специальным химикатом. При извлечении готового принта капли горячей смолы могут попасть на рабочий стол. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать подложку, например, толстый картон или обычный обеденный поднос.

5. Печать. Для запуска процесса надо выбрать нужный файл в меню и нажать кнопку «Старт». Если все настройки выполнены правильно, то остается подождать, пока процесс завершится.
6. Постпечатная обработка включает:

• отделение принта от платформы;
• очищение от остатков смолы;
• обработка в УФ-камере.

Когда печатный процесс завершится, не спешите открывать защитный экран и доставать готовое изделие. Подождите несколько минут, пока стекут остатки смолы. Затем при помощи специального шпателя, который входит в комплект, аккуратно отделите принт от платформы. К этому моменту наготове должна быть вибрационная ванночка, наполненная изопропанолом. В неё и надо поместить принт на некоторое время. Виброванну можно заменить другой ёмкостью. Тогда принт переложите в сито, а сито в ёмкость со спиртом и потрясите её, создавая лёгкую вибрацию. 

Заключительный этап – отверждение изделия в УФ-камере. Процесс занимает 2-3 минуты. Это необходимо для придания прочности модели. Некоторые утверждают, что камеру можно заменить «высушиванием» под прямыми солнечными лучами. Это правда, но  лишь отчасти. В экваториальных широтах, где УФ-индекс высокий, этот приём может сработать. Но в России показатели УФ-излучения слишком низкие даже летом, поэтому ставить эксперименты не стоит. Кстати, под открытыми лучами солнца плохо застывший принт может перегреться и деформироваться.

Для чего нужен фотополимерный 3D принтер

Этот вид печатающего устройства нашел применение в сферах, где готовые изделия требуют высокой точности:

1. В стоматологии, где изготовление коронок требует применения специальных смол с низкой усадкой, а также точности до сотых миллиметра.

2. В производстве ювелирных изделий. Чем сложнее вырезанный рисунок, тем красивее изделие. Раньше вырезать приходилось вручную, что занимало много времени и повышало стоимость изделий. Теперь это делается в разы быстрее и и с более точной и тонкой детализацией.
3. Прототипирование.
4. Дизайн. Способ фотополимерной печати позволяет печатать дизайнерские разработки для украшения интерьеров: вазы, статуэтки, другие виды объёмных украшений.
5. Макетирование. Технология широко применяется в архитектурных институтах, градостроительных управлениях для создания высокоточных макетов зданий, городских кварталов, развлекательных центров и иных объектов.

6. Хобби. Возможность создавать различные фигурки в домашних условиях сделало печать фотополимерами популярной среди взрослых и детей, увлекающихся моделированием, созданием исторических картин, например, боевых действий.

Какой 3д принтер лучше – фотополимерный или обычный

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим достоинства каждого. Обычный, печатающий расплавленными пластмассовыми нитями (FDM), пользуется спросом как среди частных пользователей, так и среди коммерческих компаний, поскольку он:

1. Доступен на цене.
2. Может работать с разными видами сырья, которое также стоит относительно недорого.
3. Функционален. Готовые изделия применяются в образовании, дизайне, архитектуре, мелкосерийном производстве, автотюнинге, косплее, изготовлении функциональных компонентов.
4. Производит принт высокого качества.

К достоинствам фотополимерного принтера можно отнести:

• повышенную точность (в отличие от обычного);
• возможность изготовления сложных конструкций с множеством мелких деталей;
• получение идеально гладких поверхностей;
• большой выбор материала с разными свойствами;
• более низкое потребление сырья для поддерживающих конструкций.

Кроме этого, готовые изделия проще поддаются постпечатной обработке, поскольку отличаются отличными физико-механическими свойствами.

Таким образом, принцип работы фотополимерного 3d-принтера позволяет добиться более высокого качества принта, чем при работе с обычным (FDM). Однако стоит он дороже.