Привет, Хабр! В обычной жизни я занимаюсь сопровождением договорных операций в Selectel. По невероятному стечению обстоятельств судьба свела меня с 3D-печатью и теперь я иду рука об руку с «Ого, напечатаешь кастрюлю?», «Давай бизнес замутим!», «А металлом печатаешь? Мне подвеску надо обновить!», «А ты можешь по фото без модели напечатать?», «Я сейчас нейронкой сгенерю фигурку, напечатаешь за шоколадку?», прочие звуки дикой природы.

И вот я подумала, что неплохо бы немного пролить свет на используемые материалы и технологии в легендарной и всемогущей 3D-печати. Хотите принтер, но не работали с ними? Интересно, что это за зверь и с чем его едят? Испытываете необъяснимое, но вместе с тем непреодолимое желание что-то напечатать в 3D? Или, наоборот, вас раздражает повсеместная 3D-печать, но вы не находите аргументов, чтобы объяснить, почему она вам не подходит? Что ж, в любом случае прошу под кат, сейчас мы во всем разберемся.

Используйте навигацию, если не хотите читать статью целиком:

• FDM/FFF vs SLA

• Мифы и легенды FDM: хроники термопластической экструзии

• Мифы и легенды SLA: саги о фотополимеризации

• Общие принципы и корреляции при использовании 3D-печати

• Особенности материалов

• Тетрис, которого никто не заслуживает

• Выводы

Если вы познали тонкости 3D-печати, пожалуйста, аккуратно поделитесь ими в комментариях. Имейте в виду, что эта статья написана для тех, кто только собирается ступить на эту скользкую извилистую дорожку.

FDM/FFF vs SLA

Итак, вы решили, что в вашей жизни не хватает запаха химикатов и расплавленного пластика, и твердо вознамерились купить свой первый 3D-принтер. Осталось лишь выбрать технологию печати, а значит — сторону в продолжительном холиваре о лучшей технологии. Выбирать придется между двумя техно-апостолами этой отрасли. Сразу оговорюсь, что речь пойдет именно о тех технологиях, которые вы сможете использовать самостоятельно, без мам, пап и кредитов (старайтесь держать под контролем свою финансовую грамотность и нервные клетки).

Итак, у нас есть две технологии, доступные для домашнего применения:

• SLA (Stereolithography) — лазерная стереолитография,

• FDM/FFF  (Fused Deposition Modeling/ Fused filament fabrication) — метод послойного наплавления.

Давайте разберемся с ними.

FDM/FFF

Представьте себе человека с горящим взглядом и клеевым пистолетом, который сейчас покажет на видео, как просто и легко сделать что-то самому, а не покупать новое. FDM-принтер — это принтер, который имитирует такого работягу. Посмотрим на логику работы сего чуда инженерной техники:

Что тут происходит? Из катушки гибкий пластиковый пруток (филамент) подается в печатающую головку (экструдер). Там его нагревает хотенд (устройство из термобарьера, нагревательного блока и сопла). Затем материал через сопло послойно выдавливается на печатную поверхность, как крем из кондитерского мешка.

Главная цель FDM/FFF — не спеша, с хрустом направляющих и сервоприводов, создать безделушку. Принтер будет громко гудеть, как старый холодильник, и периодически оставлять за собой «сопли», которые вы проклянете, пока будете ковыряться на этапе постобработки напечатанной модельки.

Зачастую пользователь сам виноват в этих «соплях», потому что не подобрал параметры печати или ошибся с настройками. Хотя иногда это происходит и по воле случая или из-за качества филамента. В общем, расслабиться и почувствовать вседозволенность вряд ли получится.

Готовое изделие будет напоминать предмет, который выточили рашпилем из куска мыла: видна каждая «черта характера» — все слои, все неровности, весь путь становления личности.

Чем меньше толщина слоя, тем аккуратнее поверхность, но полностью убрать послойность можно только механической или химической обработкой.

SLA

Хоть это и называется методом послойного наплавления, давайте придерживаться корректной терминологии. Мы не будем ничего плавить. Мы будем инициировать реакцию фотополимеризации. Safety first, поэтому перед началом работы не забудьте надеть перчатки, очки и желательно респиратор (поверьте, это очень желательно).

Вот как это все работает. Материал для печати (фотополимер) заливается в ванночку принтера. Крайне рекомендую не пролить ни капли мимо, ибо этот полимер норовит прилипнуть ко всему, что имеет хоть какую-то ценность, а отлепить его потом будет не так-то просто. В ванне с очень дорогой и неприятно пахнущей смолой ультрафиолетовый лазер или проектор на дне послойно (по сечениям) засвечивает будущую деталь. Смола в местах засветки из жидкой фазы переходит в твердую — полимеризуется. Детализация получается безумной, а поверхности — гладкими.

Дальше начинается то, о чем обычно никто не думает, загораясь идеей заняться 3D-печатью.

• отмывка модели в изопропиловом спирте или воде, чтобы смыть остатки непрореагировавшей смолы,

• досветка УФ-лампой в камере для окончательной полимеризации, без чего изделие останется липким и непрочным.

Это даже не печать, это целый ритуал с неприличными тратами времени и денег на спирт и перчатки. Но что не сделаешь ради творчества.

Если бы у SLA был девиз, он звучал бы так: «Я творю, а ты потом убирай за мной эту токсичную размазню. И проветривай. И руки мой. Искусство требует жертв». 10% печати, 90% уборки.

Сравнение технологий и итог

Выбор между FDM/FFF и SLA — это выбор между «грубо, но функционально» и «безупречно, но хлопотно».

Хотите напечатать вешалку, держатель для телефона или новую ручку для ящика? FDM/FFF — ваш друг. Он простой, как лом, и надежный, как тапок.

Хотите напечатать арт-изделие, фигурку для покраски или сложный прототип с микроскопическими деталями? Выбирайте SLA. Но приготовьтесь к тому, что ваша комната превратится в филиал химлаборатории, а вы — в его преданного (и немного отравленного) жреца.

В любом случае, оба метода заставят вас поверить в магию. Только один — в магию «о, оно на самом деле работает!», а второй — в магию «о нет, я только что потратил на это сколько времени и денег?!». Оба способа творят чудеса, но один пахнет жженым пластиком и трудом, а второй — дорогой химией и тщеславием.

Мифы и легенды FDM: хроники термопластической экструзии

Если к этому моменту вы начали ощущать необъяснимое желание заняться 3D-печатью по технологии FDM/FFF, то не спешите. Давайте сперва разберемся с некоторыми мифами и заблуждениями.

Миф о всепобеждающей дешевизне

В интернете утверждают, что напечатать любую деталь всегда дешевле, чем купить готовую. Однако в себестоимость редко закладывают цену самого принтера, его амортизацию, стоимость расходников, моделирования, потраченное на настройку и печать время, стоимость электроэнергии, а также неизбежные неудачи и перепечатки. Часто итоговая стоимость самодельной ручки для шкафа оказывается выше, чем у аналога из магазина. Хотя вряд ли вы быстро найдете в магазинах ручку в виде головы Шрека — это факт.

В общем, если вам нужна составная часть стандартного устройства, то с высокой вероятностью дешевле и быстрее будет заказать ее на маркетплейсе, чем моделировать, выверять допуски с учетом усадок и печатать. И уж точно дешевле, чем заказывать это у студий печати.

Вот пример — органайзер для настолки «Gloom Haven»:

Казалось бы, как же классно можно решить проблему и организовать пространство, тем более, что есть куча готовых моделей в открытом доступе. Красота. И вот мы сели смотреть, как это напечатать.

Перед нами расчет на 3,5 кг пластика, куча деталей с общей площадью печати 1 м² и потенциально около 3–4 дней беспрерывной работы (3D-принтер Creality K1C).

Себестоимость исключительно расходников (по ценам на  сравнительно бюджетный, но хороший пластик Esun PLA+175O-PG1P1) — 7 934,5 рублей. Помним, что речь идет об органайзерах, которые просто облегчают вашу жизнь, а не спасают ее. Если что, для этих целей отлично подходят органайзеры для канцелярии и украшений общей стоимостью около 2 300 рублей.

Догмат абсолютной адгезии платформы

Есть ли в вас вера в то, что деталь всегда прилипнет к столу, если он просто горячий? Если да, то я вас разочарую. Нужно точно подбирать температуру под конкретный пластик, использовать специальный клей, клей-карандаш, молитвы или лак для волос, а также учитывать тот факт, что  материал сжимается при охлаждении, и эту усадку надо иметь в виду чтобы деталь не «повело».

Сказание о всесилии термобарьерного обдува

Предполагается, что чем сильнее дуть на пластик вентилятором, тем лучше он застынет и будет прочнее. На практике слишком сильный обдув охлаждает пластик неравномерно, из-за чего слои коробятся и плохо схватываются друг с другом. Мощность обдува нужно подбирать под каждый материал.

Миф об аромате блинчиков

Бытует легенда, что если принтер печатает PLA-пластиком, то его экструдер источает дивный сладковатый запах, сравнимый с ароматом свежеиспеченных блинчиков. На деле же запах инженерной кухни является всего лишь побочным продуктом термического разложения полилактида, а его интенсивность прямо пропорциональна скорости деградации материала в хотэнде.

Долгое вдыхание паров даже «безопасного» PLA может привести к головной боли, а запах чаще напоминает не столько блинчики, сколько перегретый пластик со сладковатым оттенком. Это, кстати, верный признак скорых проблем с качеством печати. Но пахнет правда блинчиками, честно.

Мифы и легенды SLA: саги о фотополимеризации

Теперь перейдем к способу печати для британской аристократии. Как вы, наверное, уже поняли, он актуален, если вы красивы, родовиты, все вами восхищаются. Но не дай бог вам понадобится ремонт крыши, ведь все ваши средства уходят на расходники.

Миф о неизменности фотоинициатора

Есть утверждение, что смола не портится со временем. Но в реальности на свету и воздухе компоненты смолы постепенно разлагаются, она густеет, хуже засвечивается и детали из нее получаются более хрупкими. Смолу нельзя хранить в прозрачной таре или на свету. Ниже я покажу, как делать не надо. Фотополимер был забыт в принтере, разделился на фракции и стал непригоден для работы.

Итог — расходники ушли в мусорку, а я получила дополнительный сайд-квест по отмывке всего принтера.

Вы можете забыть про день рождения тети или забыть паспорт перед походом в бар, но не забывайте фотополимер в принтере на месяц. Он испортится сам и испортит вам вечер, когда вы обнаружите сей прекрасный факт.

Догмат универсальной экспозиции

Возможно, вам доводилось слышать, что для любой смолы подойдут одни и те же настройки засветки. Разумеется, это не так. Время засветки каждого слоя зависит от типа смолы, мощности УФ-лазера или экрана принтера. Слишком мало — деталь не затвердеет. Слишком много — прилипнет ко дну ванночки или покоробится.

Легенда о незыблемости оптической системы

Вопреки расхожему мнению, источник УФ-света (лазер или LCD-экран) не всегда будет светить одинаково ярко. Со временем светодиоды деградируют, а LCD-матрицы выгорают и отдельные пиксели перестают работать. Это приводит к снижению детализации и необходимости замены дорогих компонентов. А найти их будет очень непросто, особенно если у вас не самый новый принтер.

Сказание о постполимеризации

Есть еще миф о том, что после отмывки и просушки в УФ-лампе смола затвердевает полностью. На самом деле в потрохах детали могут остаться непрореагировавшие компоненты, из-за чего со временем она может пожелтеть, стать хрупкой или немного деформироваться. Для некоторых смол нужен еще и нагрев.

Если вы вдруг решили сделать полую фигурку и оставить отверстие для слива остатков фотополимера из полости, то вы гарантированно сэкономите на материале. Но получите отверстие в модели, из которого будет подтекать неприглядная жижа — остатки фотополимера. Засветить фигурку изнутри достаточно сложно, особенно если размер отверстия небольшой, а форма сложная.

Вот пример: фигурка была напечатана, загрунтована, покрашена и передана. Владелец ее случайно разбил и оказалось, что внутри нее все еще осталась липкая токсичная жидкость. Можете справедливо осудить автора за халатность, но я уже была наказана досветкой, перепокаской (краска с грунтом легко и закономерно слезла в местах, где вытек фотополимер) и ремонтом модельки.

Общие принципы и корреляции при использовании 3D-печати

Казалось бы, как все хорошо и ладненько получается, во всех слайсерах есть библиотека распространенных принтеров со стандартными настройками, на упаковках материалов добрые и ласковые производители пишут температуру нагрева, время засветки и т. д.

Все технологии собрались вокруг вас, чтобы магия случилась и буквально каждая напечатанная моделька напоминала бы, какой вы молодец. А в реальности 3D-печать учит вас базовым принципам смирения, терпения и понимания происходящего.

Закон подлого угла (закон адгезии)

Принцип: деталь прочно прилипает к столу только тогда, когда это не нужно.

Пример: вы восемь часов печатаете крупный плоский корпус. Все идет идеально. Вы приходите, чтобы забрать готовое изделие, и понимаете, что его край прилип так, что шпатель гнется, а стекло скребется. Вы применяете грубую силу и с хрустом отламываете кусок детали вместе с куском стекла или PEI-листа.

Итог: восемь часов, полкилограмма пластика и покрытие вместе с вкраплениями ваших нервных клеток оказываются в мусорке.

А бывает и наоборот. Стоит отвлечься на пять минут в начале печати, как маленький, но важный уголок тут же отлипает и начинает кататься за соплом, превращаясь в клубок бракованного пластика. Но не переживайте: скорее всего, вы увидите это чудо только под конец печати, когда решите проверить, через сколько принтер закончит работу.

Закон экономии, которая выходит боком (закон поддержки и опоры)

Принцип: попытка сэкономить материал на поддержках может привести к большему расходу.

Пример: вы слайсите сложную фигурку. Программа предлагает поставить 120 грамм поддержек. «Много!»  — думаете вы и убираете половину, потому что оно там вроде и так напечатается.

Итог (для FDM/FFF): без нормальных поддержек часть детали провисает, превращаясь в бесформенную лапшу. Вы тратите 80 грамм пластика на неудачную попытку и потом еще 120, чтобы сделать нормально. Итого: 200 грамм вместо изначальных 120.

Итог (для SLA): вы отрываете модель от платформы и вместе с недостающими поддержками отламывается и кусок детали (например, меч или ухо фигурки). Вы тратите время на отмывку и на запечатку второй версии. Альтернативный вариант — вы находите кусок детали в ванне с фотополимером, она отвалилась безвозвратно и испортила всю партию.

Закон фотореалистичности (у соседа трава зеленее)

Принцип: качество и простота печати, показанные в обзорах, недостижимы в домашних условиях.

Пример (для FDM/FFF): вы покупаете пластик, на упаковке которого красуется идеальный глянцевый гладкий куб. Вы печатаете его с рекомендованными настройками. Ваш куб имеет волны (рингинг), щели между слоями и торчащие нити . Оказывается, что для идеального результата автор обзора потратил две недели на калибровку, собрал корпус для принтера и использует дорогие вспомогательные средства (например, кастомный профиль слайсера), да и мама родила его с прокаченной удачей и прямыми руками.

Пример (для SLA): вы видите в интернете фигурку с невероятной детализацией ресниц и текстуры кожи. Вы повторяете процесс. Ваша фигурка имеет ступеньки на скруглениях, отвалившиеся поддержки в тонких местах и белесый налет. Секрет автора: смола за $200/литр, принтер, достойный таких расходников, и три часа на постобработку (полировку, покраску и лакировку).

Принцип последнего слоя

Всегда заглядывайте на печать в самый ответственный момент — когда осталось печатать пять минут. Это гарантированно спугнет «духа удачной печати», и вы станете свидетелем того, как деталь, печатавшаяся 11 часов, превращается в клубок пластика в самый последний момент. Вероятность успеха обратно пропорциональна количеству ваших проверок на финальном этапе.

Особенности материалов

Вы можете использовать разные материалы в зависимости от ваших задач. И, о чудо, таких материалов великое множество. Разберем базу.

FDM/FFF: выбор инженера

PLA (полилактид) — это чахарный ребенок мира 3D-печати. Печатается на всем, что хоть немного нагревается. Пахнет блинчиками при печати, что создает ложное ощущение уюта. По прочности напоминает хороший сыр: твердый, но хрупкий. Боится солнца, жары и любой мысли о механической нагрузке. Идеален для безделушек, которые должны просто стоять и пылиться.

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) — суровый отец семейства. Прочный, долговечный, термостойкий. Но с характером: требует горячего стола и закрытой камеры, чтобы не скрутило в бараний рог от малейшего сквозняка. При печати выделяет аромат жженого пластика и ностальгии по 90-м, требуя хорошей вентиляции, иначе ваши легкие подадут на вас в суд.

PETG (полиэтилентерефталатгликоль) — попытка скрестить ужа и ежа. Дружелюбнее, чем ABS (меньше коробится), прочнее, чем PLA. Капризен в настройках: то не прилипает к столу, то прилипает намертво, снимаясь вместе с куском покрытия. Любит собирать всю пыль и влагу из воздуха, поэтому перед печатью его нужно сушить.

TPU (термопластичный полиуретан) — гибкий хамелеон. Позволяет печатать все, что должно гнуться, от протекторов до чехлов. Процесс печати напоминает попытку выдавить зубную пасту и заставить ее лечь ровным слоем. Принтер должен иметь идеально настроенную подачу, иначе вместо детали вы получите спагетти из резиновых ниток.

Выбирайте между хрупкостью (PLA), токсичностью (ABS), капризами (PETG) и сложностью (TPU). Ваш принтер будет ненавидеть вас в любом случае.

SLA: выбор эстета 

Стандартная смола — основной ингредиент для большинства ритуалов. Дает красивые, гладкие детали, которые моментально раскалываются при падении на пол. После печати требует умывания в спирте и загара под УФ-лампой. Пары вызывают видения, в которых вы обещаете себе больше никогда с этим не связываться.

Прочная/инженерная смола — это попытка обмануть природу. Дорогая формула, которая обещает тебе быть крепкой, как ABS, но хрупка, как первая любовь. На выходе получается деталь, которая не ломается от взгляда, а гнется с таким скрипом, будто вот-вот рассыплется. Все равно боится ультрафиолета и со временем превратится в хрупкий сувенир.

Гибкая смола — обманка,но не дешевка. После засветки должна гнуться, как резина. На практике либо оказывается липким жвачкой, которая пачкает все вокруг, либо твердым пластиком с намеком на гибкость. Обычно разочаровывает ровно в тот момент, когда вы пытаетесь ее согнуть.

Литьевая смола — удел избранных. После печати и обработки выжигается в муфельной печи, оставляя после себя керамикоподобный пепел. Нужна для создания форм. Процесс настолько сложный и дорогой, что проще уже освоить профессию литейщика и забыть о 3D-печати.

Прозрачная смола — великий обман. В рекламе вы видите кристально чистое литье, но в реальности — мутноватый желтоватый пластик, который становится чуть прозрачнее после тонны полировки и покрытия лаком. Никогда не добиться идеальной прозрачности, как у стекла.

Какой бы материал вы ни выбрали, вы в любом случае платите в три-пять раз больше за его литр, чем за килограмм FDM/FFF-пластика. И все для того, чтобы потом несколько часов возиться с токсичными отходами и получить достаточно хрупкую деталь с высоким качеством поверхности, иногда неожиданного оттенка.

Тетрис, которого никто не заслуживает

Как вам скажет любой психолог и любой производственный технолог, брак — это опыт. Может быть, вам повезет, но, скорее всего, казино все равно выиграет. 

«А давайте напечатаем все и сразу!»

Идея, конечно, интересная, но давайте без «давайте». Как только вы захотите реализовать такую задумку, вы столкнетесь с тем, что загрузите стол под завязку разнородными деталями ради экономии времени. Принтер начнет печатать, а через 10 часов выяснится, что одна модель отклеилась и испортила всю партию.

Решение:

• оставляйте зазоры (минимум 5–10 мм между деталями);

• разделите модели на партии: сначала мелкие и простые, потом крупные и капризные;

• используйте разные виды поддержек в зависимости от формы и веса деталей.

А если повернуть модель боком

Казалось бы, если немного поиграть в тетрис для взрослых и хитро разместить сразу несколько деталей, можно сэкономить время. Но на долгом и тернистом пути печатника поворот детали может оказаться как гениальным решением, так и катастрофой. Он может решить проблему с перекосом и уменьшить количество поддержек, а может дать надежду, а потом разбить ее вдребезги вместе с вашей самооценкой.

Плюсы поворота детали:

• Уменьшает площадь соприкосновения со столом — меньше шансов на коробление.

• Снижает количество поддержек, например, если напечатать фигурку не вертикально, а под углом 45° (отлично работает для SLA).

• Улучшает прочность. Слои идут вдоль нагрузки (например, шестерни лучше печатать «стоя»).

• Позволяет расположить технические отверстия и пазы перпендикулярно печатной поверхности (так круг точно не превратится в овал).

Минусы поворота детали:

• Модель становится слишком высокой — увеличивается время печати.

• Появляются хрупкие свесы. Если не рассчитать угол, деталь может сломаться или сильно деформироваться при печати.

• Появляются поддержки внутри модели, которые невозможно или неудобно доставать.

Выводы

Несмотря на все сопутствующие унижения, сейчас я печатаю на SLA, т. к. крашу миниатюрки. Если будет интересно, могу рассказать потом поподробнее об этом хобби-убийце нервов и времени.

Надеюсь, статья была хоть немножко познавательна и развлекательна. В основном все факты выросли из наболевшего. У вас может сложиться совершенно другой опыт и мозоли, напишите об этом в комментариях.

Спойлер — я хочу столкнуть FDM/FFF и SLA лицом к лицу на примере печати нашего Тирекса. Возможно, об этом эксперименте будет следующая статья. А может, она будет о предварительной подготовке модели к печати или о моделировании.