FDM и SLA: Руководство по сравнению 3D-принтеров 2020г.

За последние годы рынок 3D-печати  и аддитивного производства претерпел значительные изменения. Если раньше технология была в основном областью деятельности любителей, то высокопроизводительные настольные машины превратили ее в незаменимый инструмент для бизнеса. После того, как 3D-печать превратилась в основной инструмент для создания прототипов и проектирования изделий, она стала широко использоваться в производстве, стоматологии, ювелирном деле и многих других областях.

Принтеры, работающие по технологии моделирования методом наплавления (FDM) и стереолитографии (SLA) являются двумя наиболее популярными типами 3D-принтеров на рынке. Обе технологии 3D-печати были адаптированы и усовершенствованы для настольного использования, что повысило их доступность, функциональность и удобство использования.

В этом комплексном руководстве покупателя мы более подробно рассмотрим 3D-принтеры FDM и SLA и сравним их с точки зрения качества печати, материалов, применения, рабочего процесса, скорости, затрат и т. д., чтобы вам было проще определить, какой метод является наиболее подходящим для вашего бизнеса.

Моделирование методом наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF), является наиболее широко используемой формой 3D-печати на потребительском уровне. Принцип работы 3D-принтеров  FDM заключается в экструзии термопластичных нитей, таких как АБС-пластик (акрилонитрил-бутадиен-стирол), ПЛА (полилактид), через нагретое сопло, расплавлении материала и нанесении пластика на рабочую платформу слой за слоем. Слои наносятся последовательно один за другим, пока модель не будет готова.

Посмотрите, как выполняется 3D-печать методом FDM.

3D-принтеры FDM хорошо подходят для изготовления базовых экспериментальных моделей, а также для быстрого и недорогого создания прототипов простых деталей, например деталей, которые обычно подвергаются механической обработке.

Изобретенная в 1980-х годах стереолитография является первой в мире технологией 3D-печати и до сих пор остается одной из самых популярных технологий среди профессионалов. В 3D-принтерах SLA используется процесс, называемый фотополимеризацией, то есть превращение жидких полимеров в затвердевший пластик с помощью лазера.

Посмотрите, как выполняется 3D-печать методом SLA.

Использующие полимеры 3D-принтеры SLA  стали чрезвычайно популярными благодаря своей способности изготавливать высокоточные, изотропные и водонепроницаемые прототипы и модели, отличающиеся отличной детализацией и гладкой поверхностью. Полимеры SLA предлагают широкий спектр оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластиков.

3D-печать с использованием полимеров является отличным вариантом для изготовления высокодетализированных прототипов, требующих жестких допусков и гладких поверхностей, таких как пресс-формы, шаблоны и функциональные детали. 3D-принтеры SLA широко используются в различных отраслях промышленности: от машиностроения и проектирования до производства, стоматологии, ювелирного дела, создания моделей и образования.

Когда в ходе аддитивного производства модель производится слой за слоем, каждый слой заключает в себе возможность для появления неточностей. Процесс формирования слоев влияет на качество поверхности, уровень точности и правильность каждого слоя и, следовательно, на общее качество печати.

3D-принтеры FDM формируют слои через нанесение линий расплавленного материала. В ходе этого процесса разрешение модели определяется размером экструзионного сопла, и при нанесении линий соплом между закругленными линиями возникают пустоты. В результате слои могут не полностью примыкать друг к другу, они, как правило, четко заметны на поверхности, и, кроме того, отсутствует возможность воспроизводить сложные детали, которую предлагают другие технологии.

При 3D-печати методом SLA каждый слой формируется отверждением жидкого полимера высокоточным лазером, что позволяет получать модели с большей детализацией и достигать высокого качества на постоянной основе. В результате, 3D-печать SLA известна отличной детализацией, гладкой поверхностью, высочайшей точностью моделей и аккуратностью их передачи.

Аккуратность, точность и допуски 3D печати — это термины, значение которых не совсем очевидно и которые часто понимаются неправильно. Узнайте, что они значат, чтобы иметь лучшее представление о качестве 3D-печати.

Использование в процессе печати света вместо тепла — еще один способ гарантировать качество печати принтеров SLA. Так как 3D-модели печатаются при температуре, близкой к комнатной, они не страдают от связанных с тепловым расширением и сжатием искажений, которые могут возникнуть в процессе печати FDM.

Если FDM-принтеры создают между слоями механическую связь, то 3D-принтеры SLA, образовавая поперечные связи между фотополимерами, создают между слоями химические связи, в результате чего получаются плотные, водонепроницаемые и воздухонепроницаемые модели. Эти связи обеспечивают высокую степень прочности в отношении поперечной силы, что приводит к созданию изотропных деталей, а это означает, что прочность деталей не изменяется в зависимости от направления. Это делает использование 3D-печати SLA особенно целесообразным в области инженерного дела и производства, где важны свойства материала.

В экструзионных 3D-принтерах используется ряд стандартных термопластиковых нитей, таких как АБС-пластик, ПЛА и их различные смеси. Популярность 3D-печати FDM среди любителей привела к большому количеству доступных цветов. Существуют также различные экспериментальные смеси пластиковых нитей, предназначенные для создания моделей с поверхностью, имитирующей дерево или металл.

Также доступны инженерные материалы, например нейлон, ПЭТГ, ПА или ТПУ и высокопрочные термопластики, например ПЭЭК или ПЭИ, но в большинстве случаев их поддерживают только определенные профессиональные принтеры FDM.

Преимущество полимеров SLA  заключается в широком спектре составов, предлагающих разноообразие характеристик: они могут быть мягкими или твердыми, содержать такие добавки, как стекло и керамика, отличаться специальными механическими свойствами, например высокая температура изгиба под нагрузкой или ударопрочность. Полимеры предлагают широкий спектр оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластиков.

В некоторых случаях именно эта комбинация универсальности и функциональности приводит к тому, что предприятия начинают использовать SLA 3D-печать внутри компании. После того, как с помощью определенного функционального полимера было найдено решение имеющихся задач, обычно быстро обнаруживаются другие области применения, и принтер становится инструментом использования разнообразных свойств различных полимеров.

Рабочий процесс 3D-печати как методом FDM, так и методом SLA, состоит из трех этапов: проектирование, 3D-печать и пост-обработка.

Сначала с помощью программного обеспечения САПР или данных 3D-сканирования проектируется модель и экспортируется в формат файла 3D-печати (STL или OBJ). Затем необходимо использовать программное обеспечение для подготовки 3D-модели к печати, в частности, задать параметры печати и разделить цифровую модель на слои.

Бюджетные 3D-принтеры FDM или SLA не слишком удобны с точки зрения юзабилити: подбор подходящих параметров печати на них требует экспериментов и часто занимает часы. И даже несмотря на это, при использовании новой конструкции или материала результат печати может меняться, и вероятность брака остается высокой. Это не только приводит к задержкам в реализации проектов, но также может вызвать сбой в работе принтера, устранение которого потребует длительного времени.

Профессиональные 3D-принтеры SLA, такие как Form 3, и некоторые профессиональные FDM-принтеры поставляются с собственным фирменным программным обеспечением и предустановленными настройками для каждого материала, которые были тщательно протестированы для обеспечения максимально успешного результата печати.

При использовании передовых инструментов подготовки к печати, таких как PreForm, настройка печати осуществляется по принципу «включи и работай». ПО PreForm доступно для бесплатной загрузки, и вы можете оценить его возможности прямо сейчас..

После запуска процесса 3D-печати, большинство 3D-принтеров могут выполнять его без оператора, даже в течение ночи, до завершения изготовления модели. Усовершенствованные 3D-принтеры SLA, такие как Form 3, автоматически заправляют полимеры из картриджей.

Последний этап рабочего процесса — пост-обработка. Изготовленные методом SLA модели требуют промывки изопропиловым спиртом (ИПС) или альтернативными растворителями для удаления с их поверхности неотвержденных полимеров. При стандартном рабочем процессе сначала производится снятие моделей со рабочей платформы, а затем ручное вымачивание их в ванне с растворителем для удаления излишков полимеров.

Профессиональные решения, такие как Form Wash, автоматизируют этот процесс. Модели из принтера переносятся на станцию Form Wash, которая выполняет очистку моделей, перемешивая растворитель вокруг них, и по окончании процесса автоматически вынимает модели из спиртовой ванны.

После того, как промытые модели высохли, для некоторых полимеров SLA требуется финальная полимеризация — процесс, который помогает моделям достичь максимально возможной прочности и стабильности.

Преимущество метода FDM заключается в том, что он не требует очистки; не имеющие поддерживающих структур модели готовы к использованию или пост-обработке сразу после завершения процесса печати.

Как при печати FDM, так и SLA, для облегчения 3D-печати моделей со сложной формой могут использоваться поддерживающие структуры, и их удаление представляет собой последний шаг в пост-обработке.

На моделях FDM поддерживающие структуры необходимо отделять вручную или растворять в воде, в зависимости от материала структуры.

Удаление поддерживающих структур на моделях SLA заключается в обрезании опорных конструкций и легком шлифовании моделей для удаления следов опор. Технология Formlabs Low Force Stereolithography (LFS)™ предлагает легкоотделяемые опоры, которые обеспечивают отделение объекта от поддерживающей структуры за секунды и с минимальными следами, что уменьшает затраты на пост-обработку.

В ходе дополнительной пост-обработки как модели FDM, так и SLA, могут быть обработаны на станке, загрунтованы, окрашены или собраны в зависимости от цели применения. Вместе с тем, перед грунтовкой или окраской, модели FDM требуют дополнительной шлифовки, а для станочной обработки или сверления требуется более высокая плотность заполнения.

Одним из основных преимуществ 3D-принтеров FDM является низкая стоимость устройства. FDM-принтеры начального уровня доступны всего за несколько сотен долларов, что дает возможность любителям и малым предприятиям увидеть 3D-печать в действии и решить, стоит ли добавлять технологию в свой набор инструментов Для начинающих пользователей более низкая стоимость принтера FDM начального уровня часто является аргументом для совершения покупки. Тем не менее, недорогие FDM-принтеры могут быть ненадежными, и для их долгосрочного использования часто требуются специальные знания.

Профессиональные настольные FDM-принтеры проще в использовании и более подходят для бизнес-применения, а цены на них варьируются от $2000 до $8000. Такие 3D-принтеры обычно предлагают более высокую надежность, более высокое качество печати и большие объемы печати. Хотя эти устройства подходят для производства функциональных моделей, конкуренция в этой ценовой категории сильная, так как область применения принтеров SLA шире и качество печати лучше.

Цена на 3D-принтеры SLA начинается от $3750, и только Formlabs выпускает крупноформатный 3D-принтер SLA, стоимость которого ниже $11 000.

С точки зрения материалов, нити FDM также имеют относительно низкую  стоимость по сравнению с материалами, используемыми в других технологиях 3D-печати. Широко используемые материалы FDM, такие как  АБС-пластик, ПЛА и их различные смеси, обычно стоят около $50/кг, тогда как цена на специализированные нити FDM для инженерного применения может составлять $100–150/кг. Растворимые материалы опор для 3D-принтеров FDM с двойной экструзией продаются по цене $100–200/кг. Для сравнения, большинство стандартных и инженерных полимеров для 3D-принтеров SLA стоят $50–$150/л.   

Трудозатраты являются последней и часто забываемой частью уравнения. Модели FDM простой формы, которые при печати не нуждаются в поддерживающих структурах, почти не требуют пост-обработки. Для моделей FDM с поддерживающими структурами и деталей, у которых важно высокое качество поверхности, необходима длительная ручная пост-обработка.

Модели SLA требуют промывки и, в зависимости от материала, также и финальной полимеризации, но в большинстве случаев оба эти процесса можно автоматизировать с помощью аксессуаров, таким образом минимизировав трудозатраты. Модели SLA с поддерживающими структурами требуют лишь минимального шлифования для удаления следов опор и достижения высококачественной поверхности.

Принтеры FDM могут печатать более толстыми слоями и, как правило, используют более низкую плотность заполнения, что убыстряет процесс 3D-печати. У FDM также меньше стадий пост-обработки в случае простых моделей. В зависимости от специфики проекта это означает, что модели готовы к использованию вскоре после завершения печати. Это очень удобно для решения таких задач, как быстрое прототипирование — пользователи могут быстро оценить результат и перейти к печати другой модели или проекта.

Вместе с тем, в настоящее время преимущество FDM в скорости снижается в связи с с появлением более «быстрых» полимеров SLA, таких как Draft Resin, печать из которого выполняется на 40 % быстрее, чем на 3D-принтерах FDM. При толщине слоя 300 мкм Draft Resin позволяет получать достаточную точность, приемлемую для нужд прототипирования, обеспечивая при этом более быстрый цикл итераций проектирования. Если модель занимает рабочий объем целиком, для ее изготовления с использованием стандартных полимеров принтеру SLA может потребоваться до 20 часов, для чего придется печатать ночью. Печать той же детали 300-микронными слоями с помощью полимера Draft Resin занимает менее шести часов.

Это шесть прототипов корпуса насоса, напечатанных с использованием Draft Resin. Чтобы напечатать один прототип из стандартные полимеры, потребовалось 3 часа 7 минут, а с использованием полимера Draft Resin печать заняла 47 минут. Окончательная модель была напечатана с использованием полимеров Tough Resin и Rigid Resin.

При одинаковой толщине слоя скорость печати принтеров FDM и SLA  становится сопоставимой. При этом обратите внимание, что из-за способа формирования слоев деталь, напечатанная 100-микронными слоями на FDM-принтере, сильно отличается от детали, напечатанной 100-микронными слоями на SLA-принтере. Для достижения сопоставимого качества на FDM-принтере потребуется меньшая толщина слоя — что означает увеличение времени печати в два-четыре раза, или большая и длительная пост-обработка для улучшения качества поверхности.

Объем печати — это та область, где принтеры FDM традиционно доминировали. Из-за специфики технологии выпуск крупноформатных принтеров FDM менее сложен. На рынке присутствует множество широкоформатных решений FDM для случаев применения, требующих 3D-печати больших деталей.

Инвертированная стереолитография, использующаяся в настольных SLA-принтерах, уменьшает занимаемое принтером пространство и стоимость, но интенсивный процесс отделения напечатанных слоев создает ограничения по материалам и объему печати, а для успешной печати более крупных деталей требуются прочные поддерживающие структуры.

Разработка технологии Formlabs Low Force Stereolithography (LFS), используемой в принтерах Form 3 и Form 3L, позволила полностью переработать подход к 3D-печати на основе полимеров и радикально уменьшить силы, воздействующие на модели во время процесса печати. Равномерное линейное освещение и снижающий усилие эластичный резервуар означают, что технология Low Force Stereolithography может быть плавно масштабирована до более широкой области печати с использованием того же мощного механизма печати.

Первый доступный по цене широкоформатный стереолитографический принтер, Form 3L, быстро печатает большие детали благодаря использованию двух ступенчатых Light Processing Unit (LPU), которые работают одновременно по оптимизированному пути печати. Предлагая объем печати в пять раз больший, чем у существующих SLA-принтеров, Form 3L дает возможность устранить ограничения по размеру, которые могут возникать на небольших настольных устройствах, по конкурентоспособной цене.

Каждая технология 3D-печати имеет свои сильные и слабые стороны, ограничения и сферы приложения. В следующей таблице приведены ключевые характеристики и факторы.

Сравнив две технологии, мы можем сделать вывод, что принтеры FDM и SLA имеют схожие, часто дополняющие друг друга функции. Эти два типа 3D-принтеров не всегда конкурируют между собой; многие компании используют как FDM, так и SLA 3D-принтеры. Таким образом можно взять лучшее из обоих миров: недорогое быстрое создание прототипов в сочетании с изготовлением высококачественных функциональных моделей позволяет решать широкий спектр задач.

Несколько практических примеров:

• При разработке продуктов модели FDM или печать методом SLA с использованием Draft Resin идеально подойдут для базового тестирования концептуальных моделей и ускорения итераций. По мере перехода на следующие стадии разработки, 3D-печать SLA незаменима для изготовления детализированных концептуальных моделей или функциональных прототипов, которые могут требовать более высокого качества и материалов с различными свойствами.

• Как FDM, так и SLA 3D-печать часто используются в производстве для изготовления зажимов, креплений и другого инструментария. FDM лучше подходит для больших и простых деталей, SLA — для сложных креплений, высокоточных приспособлений и пресс-форм.

• Принтеры FDM и SLA эффективно используются в сфере образования. Многие учебные заведения начинают с использования печати FDM, поскольку ее низкая стоимость позволяет предложить студентам быстрые черновые версии и практический опыт работы с технологией. Технология SLA пользуется популярностью среди технических школ, университетов, исследовательских институтов, а также при обучении стоматологии и ювелирному делу из-за более высокого качества и более широкого спектра применений.

Ознакомьтесь с нашим техническим докладом, в котором приводится подробный обзор экосистем SLA и пошаговый рабочий процесс 3D-печати.

Хотите увидеть качество SLA своими глазами? Выберите область применения из нашего списка и запросите бесплатный образец, чтобы подобрать материал, соответствующий вашим задачам.