Как рассчитать скорость печати на разных 3D-принтерах?

Если вы занимаетесь 3D-печатью на профессиональном уровне, то показатель скорости станет важным фактором в работе. От того, как быстро будет готова деталь или модель, будет зависеть заработок печатника. Но стоит учитывать, что увеличение скорости печати может повлечь снижение качества готового изделия.

• Что такое скорость печати 3D-принтера – на примере FDM
  • Скорость механики
  • Можно ли увеличить скорость печати 3D-принтера?
  • Производительность хотэнда
• Сравнение скорости печати 3D-принтера в зависимости от технологии
• Самый быстрый 3D-принтер
• Технология CLIP
  • Как работает CLIP?
  • Применение CLIP
  • Модели 3D-принтеров с технологией печати CLIP
  • Кейсы
• LSPc
  • Особенности технологии
  • Применение
• SLS
  • Описание технологии
  • Преимущества и недостатки
• Заключение

Что такое скорость печати 3D-принтера – на примере FDM

Скорость печати в современных  3D-принтерах  – это предмет постоянных споров. Особенно хорошо это прослеживается на FDM-устройствах. В них обычно параметр быстрой печати обозначен через пропорцию «проезда» хотэнда за единицу времени. Например, для популярного  3D-принтера Creality Ender 3  этот показатель составляет 180 мм/сек.

Но о чем это говорит на практике? По большому счету – ни о чем. Это только одна из характеристик, которая влияет на скорость печати, а именно – на продвижение печатной головы при выставленных настройках профиля. Реальный промежуток времени от момента выгрузки модели и нажатия кнопки Start до остановки сопла зависит от нескольких параметров аппарата.

Скорость механики

Как было сказано выше, у производителей 3D-принтеров принято обозначать скорость печати как соотношение мм/сек. Это идеальная рабочая картина, при которой устройство печатает прямую линию без остановки. Но в жизни нужно печатать не длинные «стены», а геометрические формы, а порой причудливые фигуры.

Получается, печатная головка постоянно будет совершать три действия: срываться с места, ускоряться и работать на максимально допустимой скорости. Отсюда можно вывести основные параметры:

1. Рывок. Начальная скорость работы, которую фиксируют в момент старта оси.
2. Ускорение. Временной промежуток от рывка, до выставленной пользователем скорости.
3. Собственно рабочая скорость. Выставляется в профилях печати.

Получается, принтер сначала стартует, после чего набирает ускорение и «упирается» в максимальное ограничение. И так до первого поворота. Работа чем-то схожа с заездом на гоночной машине. Она тоже может ехать со скоростью 300 км/ч, но это не говорит о том, что автомобиль пройдет извилистую трассу за 60 минут.

Иногда принтер даже не может набрать нужную скорость, так как сопло меняет «курс» через короткий промежуток времени. Оно успевает только немного ускориться, после чего сбросить скорость, чтобы сделать очередной маневр. Более наглядно эта зависимость видна из графика печати квадрата:

Интересно! Два принтера могут иметь разную скорость работы. Например, 100 мм/сек и 180 мм/сек. При этом оба будут делать одну и ту же модель примерно за одно время. Причиной этому может стать форма изделия. Чем больше в нем граней, тем меньше вероятность того, что устройство успеет достичь максимальной скорости.

Можно ли увеличить скорость печати 3D-принтера?

В теории кажется, что стоит только выкрутить три параметра (рывок, ускорение и скорость), как принтер начнет печать изделия в разы быстрее. Но так ли это на самом деле? На практике все выглядит иначе.

Часто ограничения скорости «сидят» в слайсере или прошивке устройства. Если пользователь имеет достаточный навык в программировании либо просто знает, какие настройки необходимо подкрутить, то скорость можно увеличить. Например, выставить параметр перемещения оси Z на 100 %, а также подкрутить настройки частоты работы двигателя в системных файлах.

Пример кода в одной из прошивок принтера, где указана работа на частоте 10 kHz и 20 kHz:

Однако результат вряд ли порадует пользователя. При значительном увеличении скорости начнется сильная тряска, появятся дефекты и пробелы печати. Все это отразится на модели. Техника упирается в ограничения механики:

• линейные подшипники при резком старте и торможении дают поперечный люфт;
• ремни начинают пружинить и создают продольный люфт.

Последний дефект особенно заметен на устройствах с пружинным натяжителем ремня. По этой причине некоторые производители используют легкие боуден-экструдеры, но и они имеет свои недочеты.

Информация! Скорость печати 3D-принтера Ender 3 равна 180 мм/сек. Однако в слайсере Cura профиль под этот принтер имеет ограничение в 60 мм/сек. Это настройка по умолчанию, о которой подозревают не все владельцы печатной техники.

Выставление скорости в программе:

Производительность хотэнда

Нельзя обойти стороной производительность печатной головы (хотэнда). Именно она выдавливает горячий пластик. От скорости расплавления материала и быстроты его подачи зависит время изготовления модели или детали.

Известно, что зона расплавляемого прутка в хотэнде довольно небольшая. Она ограничена самой высотой нагревательного блока. Увеличить данный параметр нельзя, так как на заданном уровне пластик не должен плавиться.

В качестве альтернативного способа увеличения производительности можно рассмотреть установку блока увеличенного размера. Например, Volcano. В нем зона расплавления пластика имеет высоту 20 мм. Для сравнения: обычный блок типа E3D имеет зону расплава длиной всего 11,5 мм.

Важно! На скорость печати влияет прошивка устройства, а также сам контроллер. Последний отвечает за работу всех узлов. Его можно сравнить с процессором в компьютере. Чем больше задач, тем медленнее работа. Контроллеру необходимо одновременно следить за тремя процессами: работой двигателей по осям, расплавлением и подачей пластика.

Схема работы контроллера:

Сравнение скорости печати 3D-принтера в зависимости от технологии

Выше мы рассмотрели зависимость скорости печати на одном типе принтера –  FDM . Но эта технология отображает только одну область печати. На самом деле методов изготовления трехмерных моделей намного больше. Однако к 2020 году наибольшей популярностью пользуются две технологии печати:

• методом наплавления пластика (FDM/FFF);
• методом лазерного спекания ( DLP /SLA).

В первом случае используется пластик, во втором – полимерная смола. Если сравнивать эти технологии между собой, то можно утверждать, что работа с полимером будет идти быстрее. На  SLA -принтере можно поставить в работу до 10 и более деталей (в зависимости от их габаритов). Скорость печати будет той же, что и при изготовлении 1 такого же элемента. На пластике придется делать каждую деталь по отдельности.

На конечную производительность влияет установка настроек, а также выбор конкретной модели принтера. Для наглядности прикладываем таблицу, где указано время печати двух 3D-моделей на принтерах типа FDM – Ultimaker 2 и  Wanhao Duplicator 6 :

Средняя скорость печати на FDM зависит от выбора типа пластика, размера сопла, выставленных настроек. Например, для печати модели высотой 10 см с толщиной слоя пластика от 0,1 до 0,4 мм, и скоростью работы до 150 мм/сек потребуется от трех до одиннадцати часов. Более габаритные модели могут занять до 2 суток печати. Принтер SLA с толщиной слоя в 0,1 мм и высотой фигуры до 11 см работает 7 часов.

Получается, что полимерный принтер работает чуть быстрее, если печатать одну и ту же деталь с примерно одинаковым уровнем качества. Однако стоимость расходных материалов будет в три раза выше на SLA, чем на FDM.

Важно! Слайсер также может влиять и на скорость работы. Так печать одного и того же чехла для iPhone занимает 44 минуты в Cura, и 65 минут в MakerWare.

Самый быстрый 3D-принтер

Если говорить о проектах, которые являются флагманами индустрии, то стоит упомянуть такой аппарат, как HARP. На конец 2019 года это самый производительный, и, пожалуй, самый быстрый 3D-принтер в мире. Пока модель находится в разработке и проходит финальную доводку и отладку. Но команда инженеров из Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) уверена, что сможет пустить принтер в промышленное производство к началу 2021 года.

HARP (high-area rapid printing) – это технологическое решение, в основе которого лежит принцип стереолитографии. Но в отличие от уже известных 3D-устройств, данный агрегат работает с так называемым жидким тефлоном. Жидкость проходит по прозрачной трубке, где забирает часть тепловой энергии от УФ-лампы. В результате происходит остывание и затвердевание материала.

Технические характеристики HARP впечатляют:

• площадь рабочей подожки – 2322 кв/см;
• высота печати по оси Z – 4000 мм;
• скорость печати – 50 см/час.

Сравнение рабочей камеры принтера со стандартным 20-дюймовым монитором:

Инженеры и разработчики HARP утверждают, что их принтер способен напечатать полноразмерную фигуру человека всего за 2–3 часа. Таких показателей нет ни у одного существующего принтера. Однако HARP – это проект, который существует пока что в единственном экземпляре. Его нельзя купить или взять в аренду.

Технология CLIP

На начало 2020 года это самая быстрая технология печати, которая доступна простым пользователям. CLIP (Continuous Liquid Interface Production) является разработкой компании Carbon3D. В ее основе лежит печать светоотверждаемыми смолами. Скорость работы на CLIP превышает аналогичный показатель на других принтерах в 20–100 раз.

Такие показатели скорости достигаются за счет непрерывного подъема платформы во время построения объекта. Технология исключает использование механических конструкций, как, например, в принтерах типа FFF или SLA.

Получается, устройство работает в режиме непрерывной проекции. Фактически объект печатается без остановки. Отсутствие кинематики положительно влияет на качество готового изделия. Переходов между слоями практически не наблюдается.

Сравнительная таблица по замерам скорости CLIP и прочих технологий печати:

Как работает CLIP?

На дне ванночки с жидкой смолой располагается специальное окно, через которое проходят свет и кислород. Под стеклом установлена лампа-проектор, которая излучает УФ-спектр. Под плоскостью проецирования находится так называемая мертвая зона. В ней богатый кислородом слой не полимеризуется.

Воздушная прослойка разделяет печатную область с экраном-проектором. Пластик не пристает к нему и затвердевает ровным слоем, без отрывов и проездов до следующего слоя полимера. За счет этого достигает высокая скорость печати на данном принтере.

Высота (толщина) мертвой зоны составляет десятки микрометров. Смола как бы левитирует над печатным экраном. Модель медленно вытягивается вверх, пока печать не завершится. В конце процесса включается процесс «запекания». Изделие подвергают принудительному обжигу и обдуву для полноценного закрепления смолы.

Схематическое отображение печати:

Применение CLIP

Владение принтером CLIP обойдется в копеечку. Однако его покупают и используют многие крупные компании. В частности, TruVenture Composites LLC, Ford и Addidas, а также производитель медицинского оборудования Resolution Medical Inc.

Принтеры от Carbon3D ценят за скорость и точность печати, а также за низкую себестоимость готовых изделий в сравнении с другими существующими 3D-принтерами.

Интересно! Пока продукция от компании Carbon3D будет интересна только крупным игрокам рынка. Все дело в том, что компания не продает печатное оборудование. Она сдает его в аренду по подписке. Так годовой «абонемент» обойдется пользователю в $40 000–50 000. Принтер в цену квартиры на один год работы. Не каждый бизнес захочет иметь такую дорогую «игрушку».

Модели 3D-принтеров с технологией печати CLIP

На начало 2020 года существует три модели Carbon3D. Две модели первой генерации и один широкоформатный принтер:

1. Carbon М1. Область печати – 144 × 81 × 330 мм.
2. Carbon М2. Область печати – 190 × 118 × 326 мм.
3. Carbon L1. Область печати – 400 × 250 мм. Высота по оси Z не указывается.

Полную спецификацию данных устройств можно посмотреть на официальном сайте производителя.

Кейсы

Компания каждый год расширяет сферу своего влияния. Сегодня известно о нескольких крупных партнерах компании Carbon3D:

1. Аdidas. В 2018 году компания представила тестовую версию кроссовок с напечатанной подошвой. Несмотря на концептуальную задумку и стоимость в $300, партию моментально раскупили. Это заставило Аdidas выпустить полноценную линейку кроссовок под названием ALPHAEDGE4D.

2. Ford. Автогигант представил в 2019 году отдельную линейку автозапчастей, изготовленных с помощью метода 3D-печати. Также компания использовала принтер в инженерных целях. Напечатанный макет двигателя в полномасштабном размере сразу указал на недочеты конструкции и позволил внести оперативные корректировки.

3. Riddel. Бренд, который известен в США как один из самых крупных производителей шлемов для американского футбола. С недавних пор печатает свою продукцию на принтерах CLIP. Carbon3D тесно сотрудничает с Riddel. Ее шлемы красуются в промоматериалах печатной компании.

Интересно! В начале пандемии коронавируса 2020 года компания начала сотрудничать с одной медицинской корпорацией в США. Руководство Carbon3D заявило, что будет выпускать до 1 млн лопаточек-мазков для забора проб на COVID-19 за одну неделю работы.

LSPc

Еще одна технология скоростной печати, которая схожа по своим принципам с CLIP. Название LSPc расшифровывается как Lubricant Sublayer Photocuring. Разработчик – компания Nexa3D. Скорость печати на таком принтере может достигать 1 см/мин. Что значительно выше, чем на том же FDM, либо SLA.

Сравнительная таблица и скорость печати:

Особенности технологии

Технология хоть и имеет много общего с DLP- и SLA-принтерами, но все же больше походит на CLIP-устройства. В конструкции LSPc используют прозрачную самосмазывающуюся пленку. Она располагается между дном рабочей емкости со смолой и печатаемой моделью. Засветка также идет с нижней части от фирменной структурированной матрицы.

Скорость печати на LSPc принтере:

Так же, как и в CLIP, пленка не дает прилипать печатной модели к экрану. Получается, процесс идет в непрерывном режиме. Это отражается на скорости изготовления и качестве производимой продукции. В принтерах Nexa3D стоят специальные датчики, которые уменьшают количество технических ошибок. Смола подается из специального картриджа. Благодаря этому удается избежать постоянных заправок, что позволяет печатать модели без остановки.

Принтер Nexa3D:

Применение

Для принтера создано множество полимерных смол, которые делают его «универсальным солдатом» в области печати. Сегодня Nexa3D используют в таких областях, как аэрокосмическая отрасль, производство автомобилей, потребительских товаров, электронной техники и многие другие.

SLS

Как решение, альтернативное двум предыдущим технологиям, стоит рассмотреть метод 3D-печати по принципу  выборочного лазерного спекания (SLS) . Такие принтеры ценят не только крупные компании, но и небольшие фирмы и частные мастерские.

Справка! Технология SLS была впервые разработана и запатентована еще в начале 80-х годов. Ее открыли в Техасском университете города Остин двое ученых – Карл Деккард и Джо Биман.

Описание технологии

В принтерах, работающих по SLS технологии, происходит спекание частиц полимерного порошка под действием лазерного луча. Процесс идет послойно. В качестве печатного сырья может использоваться порошок на основе металла, стекла или другого композитного материала.

После процедуры запекания полимера готовой детали дают «отдохнуть». Когда весь порошок в камере остывает, напечатанное изделие достают из остатков неиспользованного материала. Конечная модель всегда требует постобработки.

Заключительный этап печати в камере SLS принтера:

Преимущества и недостатки

Современные SLS-принтеры уже не такие громоздкие, как были раньше. Сегодня они доступны большинству печатников, как начинающего, так и продвинутого уровня.

Достоинства технологии SLS:

1. В готовых изделиях нет внутреннего напряжения, как в деталях, которые сделали на FDM-принтере. Они обладают изотропными механическими свойствами.
2. Для SLS-печати не требуется построение опорных конструкций и поддержек. Это значительно упрощает создание сложных геометрических форм, а также дает возможность задействовать почти весь объем рабочей камеры.
3. Материалы-полиамиды, из которых получается готовое изделие, обладают высокой прочностью. Их можно использовать как компоненты единого подвижного узла.

Недостатки SLS-принтеров:

1. Пока что SLS-принтеры довольно дороги. Их нельзя сравнить по себестоимости с теми же FDM-принтерами.
2. Для работы с порошком нужно соблюдать правила безопасности. Принтер можно использовать только в оборудованных помещениях.
3. Готовая деталь всегда требует постобработки, так как ее поверхность имеет зернистую фактуру.

Интересно! Стоимость SLS-принтера довольно высока, чтобы использовать его в домашних целях. Например, модель Sinterit Lisa с рабочей площадью 150 × 200 × 150 мм встанет печатнику в 900 000 рублей. Есть принтеры, которые перешагивают за отметку в 1 млн рублей.

Заключение

Скорость печати – довольно относительное понятие. Оно зависит от множества факторов. Для FDM-принтеров это толщина печатного слоя, используемый пластик, характеристики хотэнда. Теоретически время печати можно уменьшить, но от этого сильно пострадает качество. К тому же увеличение скорости приведет к быстрому износу компонентов принтера. SLA- и SLS-принтеры работают быстрее. Однако они стоят дороже, и расходные материалы для них также влетят в копеечку.