Фотополимерный 3D-принтер
Краткий ликбез про технологию
Можете пропустить этот раздел, если знаете, что такое FDM и SLA.
Самый распространенный способ 3D печати называется Fused Deposition Modeling или FDM. Трехмерная модель разбивается на тонкие слои (обычно 0.1-0.2 мм). Специальная движущаяся каретка с устройством подачи (экструдером) обходит в каждом слое его контур, заполняет внутренности согласно заданной программе, затем перемещается на один слой вверх. В экструдер подаётся филамент — пластмассовая нить, которая расплавляется нагревом. В таком состоянии пластик наносится длинной тонкой линией слой за слоем, пока не составляет объёмную фигуру. Это очень дешёвый способ, требующий, по сути, трёх моторов и нагревательного элемента, поэтому он получил самое широкое распространение. Печать таким методом обычно обходится в 0.5-1 рубль за каждый кубический сантиметр модели. Недостатки в том, что моделька получается шершавая: определить невооружённым глазом, что какая-то вещь была напечатана на FDM-принтере, очень легко.
Есть и другая технология, которая называется стереолитография (SLA от stereolithography apparatus). Её суть в использовании фотополимерной смолы — специальной жидкости, которая под воздействием некоторого излучения становится твёрдой. Трёхмерная фигура точно так же разбивается на слои, но каждый следующий слой создаётся с помощью отвердевания этой жидкости в нужных местах, в зависимости от формы слоя. Изначально смолу закрепляли лазерным лучом, что требовало сложного движения и высокой точности позиционирования — поэтому первые массовые SLA-принтеры стоили несколько тысяч долларов.
Сейчас придумали другой подход — вместо движения лазерного луча используют плоскость с переменным уровнем освещения, чаще всего таковой выступает обычный дисплей высокого разрешения с ультрафиолетовой подсветкой. В тех местах, где пиксели дисплея включены, соприкасающаяся с ним смола получает дозу УФ-излучения и становится твёрдой, а в остальных местах остаётся жидкой. Это позволило, во-первых, значительно ускорить печать (слой засвечивается весь сразу, без необходимости перемещать лазерный луч), а, во-вторых, удешевило конструкцию во много раз. Принтеры, сделанные таким образом, называются DLP по аналогии с одноимённой проекционной технологией, и сейчас могут быть доступны по цене в $400-500.
Anycubic Photon
DLP-принтер Anycubic Photon мне подарили друзья на день рождения по моему заказу. Он стоил около 32 000 рублей в официальном магазине Anycubic на Aliexpress: комплект с дополнительными расходниками. Магазин доставляет его со склада в России, так что даже перед Новым Годом доставка заняла всего пару недель.
Принтер приходит уже собранным и почти готовым к работе. Его нужно откалибровать — процесс предельно простой и занимает минут 5.
Подготовка к печати тоже довольно простая — нужно залить смолу в контейнер, загрузить файлы на флэшку, и можно начинать. Правда, изначально модель следует преобразовать в правильный формат, и тут проявляется первый серьезный недостаток по сравнению с FDM-принтерами. Для популярного FDM придумали очень много решений с открытым исходным кодом, которые поддерживаются сообществом и регулярно обновляются. Много софта, который умеет генерировать нужную последовательность команд для таких принтеров. А вот для редкого и дорогого DLP существуют только проприетарные варианты. У Photon своё родное расширение, для которого нет официальных спецификаций, и хоть к нему и выполнили реверс-инжиниринг, хороших вариантов от сообщества пока что очень мало, а родной софт не дотягивает по своим возможностям даже близко.
В общем, в плане модели много работы руками. Мне тоже, как программисту, пришлось слегка поучаствовать в софтварном оснащении принтера.
Принцип печати
Стол из анодированного алюминия движется вертикально, поскольку экран расположен внизу, а над ним — контейнер, куда заливается жидкая смола. Таким образом, твердеет всегда нижний слой, и 3D-модель как бы растёт, появляясь из жидкости снизу вверх.
Этот принтер не «болеет» такими проблемами, как застревание пластика в экструдере, ослабевание ремней (их просто нет) и отрывание слоёв друг от друга. Тем не менее, мне пришлось потратить 250мл смолы (бутылочка, которая шла в комплекте), чтобы научиться правильно на нём печатать.
Длительность печати зависит только от высоты фигуры и не зависит от её общего объёма, что логично, потому что каждый слой засвечивается целиком. Это приводит к очевидному, но неправильному решению, что нужно печатать фигуру как можно более «плоско». На самом деле не совсем так, по крайней мере, для деталей к каким-то механизмам, и вот почему.
- Общая площадь слоя, который прилегает непосредственно к алюминиевому столу, должна быть тем больше, чем больше вес фигурки. Причём, чтобы удержать куб, площади его грани может быть недостаточно.
- Самые первые слои должны засвечиваться в 10 раз дольше остальных, чтобы сразу набрать максимальную прочность и крепко держаться за стол, потому что вся моделька целиком будет «висеть» на этом столе в воздухе вверх ногами и держаться только за то место, которым она к столу прилипает. Из-за усиленной засветки форма первых слоёв немного меняется — смола расплывается больше, чем нужно. Поэтому детали, для которых форма важна, или фигурки, у которых нет большой плоской стороны, должны помещаться на поддержках.
- Соотношение между следующим слоем и предыдущем по площади должно быть как можно меньшим, чтобы следующий слой мог целиком удержаться на предыдущем. Поэтому при печати на поддержках, парадоксально, но нужно печататься фигуру не как можно более плоской, а, наоборот, в ребро. Вообще говоря, идеальный вариант это ставить модель на какой-нибудь угол, тогда каждый следующий слой будет чуть больше предыдущего, что позволит слоям легко держаться.
Смола очень дорогая, это второй важный недостаток. Каждый миллилитр смолы стоит 5-6 рублей, поэтому я убил полторы тысячи только на эксперименты с попытками понять, как нужно правильно, чтобы ничего не разваливалось и не отлипало. И ещё ты заранее не поймёшь, получается ли текущая печать нормально, пока не пройдёт хотя бы 2-3 сантиметра от её высоты, потому что моделька будет скрыта в жидкости целиком.
Зато поддержек в целом нужно меньше, чем для FDM, потому что слои держатся друг за друга всей своей площадью. По сути, можно печатать модельки с углом перепада более 60 градусов, пустотами внутри, «подвешенными» на тоненьких элементах частями и так далее. Даже тестовый 3D-файл, который идёт на комплектной флэшке, демонстрирует эту особенность.
Ещё несколько нюансов
Область печати откровенно небольшая — 120 мм в ширину, 65 мм в глубину и 150 мм в высоту. Принтер явно рассчитан на миниатюры, печатать с его помощью что-то большое в любом случае было бы неоправданно из-за цены материалов. Но если очень хочется, придётся разбирать модель на части и собирать их уже по факту. Смолу можно подливать в процессе — это значительно проще, чем нарастить филамент на катушке.
Помимо смолы есть ещё один расходник в виде плёнки, которая выступает дном ванны со смолой и находится аккурат между моделью и дисплеем. В своих неправильных тестах я испортил три такие плёнки, благо, в комплекте, который я купил, было 5 дополнительных. Если неправильно создать поддержи, и модель отлипнет, то вся вхолостую засвеченная смола прилипает к этой плёнке, откуда её потом нужно с усилием отдирать. После нескольких таких отдираний можно её повредить, поцарапать или помять. Она специально сделана сменной на такой случай, но каждая пленка стоит 500 рублей, это довольно накладно. В норме одной плёнки должно хватать на десятки печатей.
И ещё в мире 3D-печати весьма распространена печать конструкций в сборе, когда отдельные элементы, которые должны двигаться друг относительно друга, печатаются уже соединёнными между собой шарниром или похожей связью. Обычные FDM-нити легко разрушимы, и нет проблем рассчитать места соединения так, чтобы они ломались там, где нужно.
В этом принтере так сделать нельзя, потому что смола не успеет вытечь из узкой щели и засветится в пространстве между деталями, они станут одним целым. Так что всё разбираемое нужно печатать в разборе, как я сделал с этой ящеркой (результат в сборке будет ниже).
После печати детали нужно промывать в изопропаноле, чтобы смыть всю жидкую смолу, а затем применить дополнительную засветку ультрафиолетом для укрепления. Мне пришлось купить с этой целью специальную лампу для сушки ногтей, потому что солнечного света в Питере днём с огнём не сыщешь :)
Оставшуюся в контейнере смолу можно слить обратно в бутылку и использовать заново при необходимости.
Ну и длительность. Засветка каждого слоя в зависимости от типа смолы требует 10-20 секунд. В одном сантиметре высоты будет 200 слоёв, это около 45 минут печати в лучшем случае. А фигурка высотой 10 сантиметров будет печататься 8 часов, нужно быть к этому готовым. Благо, принтер безопасно оставлять, уходя из дома или ложась спать — в нём ничего не может воспламениться, по сути это экран с простым моторчиком. Худшее, что может случиться — модель оторвётся от стола, и принтер будет работать вхолостую, тратя материал.
Качество
Ну и главное, ради чего стоит в принципе покупать такой принтер и тратить деньги на всё это. Толщина слоя от 10 микрон и отсутствие горизонтального смещения позволяет добиться невероятного качества. Я печатал пока что всё на 50 микронах, и детали получались отличные. Если не знать заранее, то их не отличить от сделанных в промышленных условиях.
Мельчайшие детали получаются очень четко, если всё правильно настроить и угадать с поддержками. С сопряжениями, однако, нужно поработать, потому что степень растекания смолы зависит от настроек — нужно делать некоторый допуск величиной в сотые доли миллиметра.
На последней фотке можно оценить размеры.
К поддержкам нужно быть внимательным. Первый вариант SCP-682 напечатался без лапы, а вот во втором я уже исправил собственную ошибку.
Полистайте фотки в карусели, обратите внимание на сложность модели и количество тонких элементов. Пластик, кстати, твёрдый, но не хрупкий. Его можно без страха чуть-чуть сгибать и в целом обращаться с ним довольно свободно. Хотя какую-то серьезную нагрузку он, вероятнее всего, не выдержал бы — создавать из него уголки для полок с книгами я бы не стал.
Объем монстра с поддержками около 40 мл, то есть 200 рублей.
Результат легко поддаётся окрашиванию специальной эмалью для пластмасс, без грунтовки. Народ в интернете делает себе миниатюрки и красит их вручную кисточками, но это для тех, кто умеет. Я могу только баллончиком поводить, и то, не всегда правильно. Тем не менее, в какой-то спец. обработке поверхность не нуждается, в отличие от FDM.
Заключение
Печать дорогая, а также требует аккуратности, терпения и внимания к мелочам. Вам подойдёт, если вы перфекционист, если вам нужны миниатюрки сложной формы или какие-то детали к мелким механизмам. В остальном, скорее всего, будет сложновато и запарно, а трата денег станет напрягать и тормозить свободу творчества. По цене 5 рублей за миллилитр уже не любую ерунду из сети захочешь печатать.
Поэтому со временем FDM-принтер я себе тоже куплю, для баловства и тестов, только подожду, когда не слишком дорогие (до $500) предложения научатся делать хотя бы 50-микронный слой.
Этот принтер мне нужен для реализации своих творческо-инженерных идей и для печати фигурок под настольные игры. Почти потратил вторую бутылку смолы, буду заказывать новую. Кстати, теперь фотополимерная смола — это универсальный подарок для меня на любой праздник, имейте ввиду :)