ПИКАСО 3Д

Оптимум 360: как печатать инженерными пластиками без брака

Разбираем, почему инженерными пластиками сложно печатать, какие условия соблюсти, чтобы деталь из ABS, PC или PA6+CF получилась рабочей, и что дают непрерывная печать и компенсация усадки

Например, вам нужна шестерня для постоянной работы под нагрузкой, деталь, подвергающаяся длительному нагреву, или серия корпусов, устойчивых к внешней агрессивной среде. Материал вы выбираете исходя из условий работы и требований к будущей детали. Но для таких задач возможностей PLA и PETG будет уже недостаточно — требуются инженерные пластики.

Печатаете небольшую деталь и всё получается отлично! А начинаете печатать что-то крупное или несколько деталей за одну печать — углы отрываются от платформы, по слоям идут трещины, на стенках появляются нити пластика и пропуски. Ещё хуже, когда деталь выглядит отлично, но в руках ломается от небольшого усилия.

Разберём, почему это происходит и что нужно 3D-принтеру, чтобы и единичная деталь, и серия не уходили в брак. И покажем, как эти задачи решены в Оптимум 360.

О чём статья

1. Для кого эта статья
2. Зачем нужны инженерные материалы
3. От запасных частей до серийных деталей: что печатают из инженерных пластиков
4. В чём сложность печати инженерными пластиками
5. Оптимум 360: почему он устроен именно так
6. Режим Оптимум: автоматическая компенсация усадки и 12-й квалитет с первой печати
7. Непрерывная печать: что происходит, когда заканчивается пластик
8. Техническое и технологическое сопровождение
9. Что учесть перед покупкой
10. Итог
11. Что делать дальше

Для кого эта статья

Статья для тех, кто уже печатает или собирается печатать функциональные детали, оснастку, запчасти и небольшие серии:

• Вам нужны детали, которые держат нагрузки. Не только визуальные макеты для проверки формы и сборки, но и функциональные детали, рассчитанные на нагрев, трение, удары, изгиб, вибрации и воздействие внешней среды.
• Вы печатаете, но на инженерных пластиках начинается брак. PLA и PETG печатаются нормально, а при переходе на ABS, PC, полиамиды и композиты детали уходят в брак.
• Вам нужны точность и повторяемость. Размеры напечатанной детали должны соответствовать модели. Вторая, десятая и сотая детали должны укладываться в те же требования, что и первая, в том числе если задание потребуется повторить через несколько месяцев.
• Ваше оборудование должно работать постоянно. Не по восемь часов в день, а сутками. И нет времени следить за тем, хватит ли пластика на печать.
• Работать на нём будет оператор, а не энтузиаст. Нужны готовые профили для разных пластиков, чтобы не подбирать температуру, подачу и обдув под каждую новую катушку.

Зачем нужны инженерные материалы

Инженерные пластики применяют там, где возможностей базовых материалов — PLA и PETG — уже недостаточно. Они обеспечивают большую прочность, термостойкость, устойчивость к ударам, трению и нагрузкам, а часть материалов — к маслам, бензину и другой химии.

Под каждую задачу материал выбирают отдельно. Учитывают рабочую температуру изделия, необходимую жёсткость или эластичность, характер нагрузки и условия эксплуатации. При этом свойства готовой детали зависят не только от выбранного пластика, но и от конструкции модели, ориентации и режима печати.

От запасных частей до серийных деталей: что печатают из инженерных пластиков

Ниже — реальные задачи наших клиентов, которые они решают с помощью 3D-печати: изготовление запасных частей, технологической оснастки, габаритных корпусов и небольших серий.

Запчасти для оборудования

Зубчатое колесо

PA6+CF

полиамид с углеволокном

330 мм

диаметр детали

~58 ч

время печати

Технологическая оснастка

Матрица и пуансон для гибки металла

PA6+CF

полиамид с углеволокном

305 мм

длина оснастки

~45 ч

время печати

Функциональные детали

Корпус фары

ABS+CF

ABS с углеволокном

526 мм

высота корпуса

~26 ч

время печати

Приборостроение · малая серия

2,2 млн рублей экономии в год на печатных корпусах

Инжиниринговая компания производит оборудование для учёта энергоресурсов — вычислители расхода газа и тепла. Корпуса для них закупали в Европе, но нестабильность цен и регулярные срывы поставок заставили искать способ производить детали в России.

Литьё не подходило для этой задачи по срокам и гибкости: под каждую модификацию корпуса требовалась отдельная пресс-форма. Поэтому изделия перевели на FFF-печать. Корпуса из АБС ГФ4 изготавливают на Оптимум 360, для печати поддержек используют HIPS.

К новому корпусу предъявлялись те же эксплуатационные требования, что и к импортному: рабочая температура от −20 до +50 °C, влажность до 95 % без конденсации, степень защиты собранного изделия IP54, прочность и качество поверхности.

Печать одного корпуса занимает 12 часов, его масса составляет 240 г. После печати необходимо удалить поддержки — постобработка занимает около одной минуты, после чего корпус можно передавать на сборку.

Себестоимость корпуса снизилась на 56 % — с 3 950 до 1 734 рублей. При годовой программе в 1000 изделий экономия составляет около 2,2 млн рублей.

3 950 → 1 734

рублей — себестоимость одного корпуса

2,2 млн

рублей в год на партии 1000 штук

12 часов

корпус готов, без ожидания поставки

Запчасти · авиация

Комплект обтекателей для Cessna 172: 250 000 рублей вместо 600 000

Обтекатели подкосов крыла для Cessna 172 заказывали за рубежом. Комплект стоил около 600 000 рублей, а ждать поставку приходилось более четырёх месяцев.

Ellipse 3D изготавливает такие обтекатели из поликарбоната методом FFF-печати. Печать полного комплекта занимает около пяти дней. Стоимость готовых изделий для заказчика составляет 250 000 рублей — это цена комплекта, а не себестоимость его производства.

Использование 3D-печати позволило предложить заказчику комплект на 350 000 рублей дешевле зарубежного и отказаться от ожидания импортной поставки.

Запчасти · машиностроение

До половины запасных частей для станков изготавливают с помощью 3D-печати

TDNT Engineering занимается восстановлением станков и промышленного оборудования. Для одного проекта обычно требуется от одной до десяти деталей. Запускать литьё ради такого количества нецелесообразно, а изготовление токарными и фрезерными методами может занимать больше времени и обходиться дороже.

Часть запасных частей изготавливают методом FFF-печати. Например, новую крыльчатку взамен разрушенной детали напечатали из PA6+CF за 15 часов.

В этих примерах 3D-печать используют для разных задач: восстановления оборудования, изготовления производственной оснастки и выпуска габаритных деталей сложной формы. Материал в каждом случае выбирают исходя из назначения изделия, нагрузки и условий эксплуатации.

В чём сложность печати инженерными пластиками

1. Гигроскопичность

Все пластики впитывают влагу, но инженерные делают это особенно сильно. Влажный материал приводит к пропускам и нитям на детали, расслоению, засорам сопла и канала подачи вплоть до полной остановки печати. Результат — потеря прочности, брак, дополнительный расход материала и время на перезапуск и обслуживание оборудования.

Например, PA6+CF набирает критический уровень влаги за несколько часов на открытом воздухе. Поэтому недостаточно высушить катушку заранее и затем печатать ею в течение всего дня: материал повторно впитывает влагу непосредственно во время работы, и это становится заметно на готовой детали.

2. Внутренние напряжения при остывании

Во время печати пластик остывает и усаживается, накапливая внутренние напряжения в детали. Чем крупнее и массивнее изделие, тем сильнее проявляется влияние усадки: возникают трещины между слоями, углы отрываются от платформы, нарушается геометрия и снижается прочность.

3. Абразивность композитов

Стекло- и угленаполненные пластики абразивны: они изнашивают сопла и элементы, с которыми контактируют по пути подачи. Например, отверстие латунного сопла диаметром 0,5 мм может увеличиться до 0,7 мм за несколько десятков часов печати, что приведёт к появлению дефектов на печатаемых деталях.

Три требования к оборудованию для работы с инженерными пластиками:

1. Сушить материал и не давать ему набирать влагу во время печати.
2. Держать температуру вокруг детали всё время печати.
3. Выдерживать воздействие абразивных наполнителей — на работу с абразивным пластиком должны быть рассчитаны и сопла, и весь канал подачи материала.

Оптимум 360: почему он устроен именно так

Оптимум 360 специально разрабатывали для печати инженерными и гигроскопичными пластиками. Мы сами работали с такими материалами и одновременно получали запросы от клиентов: свойства пластика подходят для задачи, но стабильно печатать им сложно. Основные проблемы были связаны с сушкой материала, защитой от повторного насыщения влагой и подачей высушенного филамента к печатающей головке.

Выходили из положения по-разному: ставили рядом с принтером духовые или сушильные шкафы, выводили отдельно трубку подачи. Придумывали, как сделать, чтобы пластик сматывался с катушки и при этом не разматывался, как подать материал так, чтобы он не ломался и не растягивался в длинной трубке, и как заставить всё это работать вместе.

В Оптимум 360 всё это собрано в единую систему: активная камера, сушка, хранение и подача материала работают вместе.

Модуль сушки и подачи

В каждый отсек можно установить две катушки массой до 1 кг или одну катушку до 2 кг. Регулируемый катушкодержатель позволяет устанавливать катушки разного размера, а направляющая предотвращает соскакивание витков пластика.

В каждом отсеке предусмотрена полка с индикаторным силикагелем. Он поглощает влагу из воздуха внутри отсека и помогает поддерживать условия хранения материала.

Температуру и продолжительность сушки можно задать вручную или выбрать из библиотеки профилей через дисплей принтера. По истечении заданного времени система автоматически переходит в режим хранения и прекращает интенсивную сушку. Это снижает риск пересушивания и деградации материала, а также уменьшает потребление электроэнергии.

Пластик поступает к печатающей головке по закрытому каналу. Это уменьшает контакт подготовленного материала с окружающим воздухом.

Для перемещения пластика используются доподатчики — по два на каждый отсек. Когда экструдер начинает тянуть материал, доподатчик включается и помогает перемещать его по каналу, снижая нагрузку на экструдер. Такая схема особенно полезна при работе с гибкими пластиками, такими как TPU, а также ломкими композитными пластиками, например HIPS GF.

Сценарии использования

Два независимых отсека позволяют использовать Оптимум 360 в трёх основных режимах.

• Двухматериальная печать. В одном отсеке размещается основной пластик, во втором — материал поддержек или второй основной материал.
• Непрерывная печать. В оба отсека устанавливаются катушки одного материала. Если материал на первой катушке закончится, печать можно продолжить со второй.
• Подготовка следующей катушки. Пока материал из одного отсека используется для печати, во втором можно сушить следующую катушку или поддерживать для неё режим хранения.

Модуль 3D-печати

Рабочая область и температурные возможности

Для печати инженерными пластиками необходимо одновременно контролировать температуру сопла, платформы и среды вокруг изделия. Материал должен быть высушен, профиль — соответствовать выбранному пластику, а ориентация модели — учитывать особенности FFF-печати.

Рабочая область 360 × 360 × 610 мм позволяет изготавливать многие крупные детали целиком, без разделения модели и последующей сборки. Платформу можно использовать как для одной габаритной детали, так и для партии небольших изделий.

Активная подогреваемая камера

В камере Оптимум 360 установлены два независимых нагревателя. Циркуляция воздуха помогает поддерживать заданный температурный режим в зоне печати. Это создаёт условия для стабильной печати габаритных изделий из материалов, чувствительных к температурным перепадам.

Платформа и автоматическая калибровка

Печатная платформа состоит из алюминиевого основания с нагревательным матом и съёмного стекла. Максимальная температура нагрева составляет 150 °C.

Перед запуском печати Оптимум 360 выполняет автоматическое выравнивание платформы по четырём точкам и строит карту высот. Для определения положения поверхности используется тензодатчик.

Карта высот позволяет учитывать микронеровности по всей рабочей площади. Это особенно важно при печати крупной модели или партии деталей, расположенных в разных участках платформы. Автоматическая калибровка платформы сокращает объём ручной настройки, но не отменяет проверку чистоты стекла и правильности его установки.

Про адгезивы. Инженерным материалам часто нужен адгезив, подобранный под конкретный тип пластика. Без него деталь может отлипнуть от платформы даже при правильной калибровке и верно выставленных температурах.

Печатающая головка JetSwitch и двухматериальная печать

Оптимум 360 оснащён двухсопельной печатающей головкой JetSwitch. Клапан блокирует неактивное сопло и уменьшает подтекание материала при переключении между каналами.

Двухматериальная печать позволяет изготавливать основную модель и поддержки разными пластиками. Для поддержек можно использовать растворимый или легкоотделяемый материал. Это упрощает изготовление деталей со сложной геометрией и поверхностями, доступ к которым после печати ограничен.

Другой сценарий — составные изделия из материалов с разными свойствами. Например, деталь, напечатанная из двух материалов за одно задание: жёсткие элементы выполнены из ABS, эластичная центральная часть — из TPU.

Профили материалов и Полигон Х

Инженеры ПИКАСО 3Д тестируют материалы разных производителей и подбирают для них рекомендуемые параметры печати. Готовый профиль позволяет пользователю начать работу без самостоятельного подбора температур, подачи, ретрактов, обдува и других базовых настроек.

Профиль материала выбирается на дисплее Оптимум 360 при запуске. Благодаря этому одно подготовленное задание можно печатать разными материалами без повторной подготовки в Полигон Х. С того же дисплея оператор управляет камерой и модулем сушки, корректирует отдельные параметры профиля, запускает задания и выполняет сервисные операции.

Профиль служит проверенной отправной точкой, а не гарантией одинакового результата во всех случаях. Производители пластика могут менять состав сырья, а на печать также влияют партия материала, его состояние и геометрия изделия. Поэтому сначала рекомендуется использовать готовый профиль, а при необходимости — скорректировать отдельные параметры под конкретный пластик и задачу.

Задание для печати подготавливается в Полигон Х. Программа поддерживает форматы STL, OBJ и AMF. Пользователь располагает изделие на платформе, задаёт параметры построения, формирует поддержки и передаёт задание на оборудование.

Задания можно загружать через USB, Ethernet или Wi-Fi. Полигон Х также позволяет подключать и контролировать несколько устройств ПИКАСО 3Д в локальной сети.

Для стандартных задач предусмотрены готовые настройки, опытному пользователю доступны расширенные параметры.

Режим Оптимум: автоматическая компенсация усадки и 12-й квалитет с первой печати

При печати функциональных деталей важно получить не только качественную поверхность, но и соблюсти размеры, заданные в изначальной 3D-модели. Во время печати расплавленный пластик охлаждается и уменьшается в объёме, поэтому геометрия готового изделия может измениться. При этом характер усадки зависит и от материала, и от формы детали, и от направления построения.

Обычно усадку компенсируют линейным увеличением модели в слайсере: все размеры изменяются на один заданный коэффициент. Коэффициент должен рассчитать и применить оператор — при подготовке партии эту настройку можно указать неправильно или применить не ко всем изделиям.

В режиме Оптимум компенсация усадки встроена в технологический процесс и выполняется нелинейно, что отличает её от обычного масштабирования в слайсере. Для работы режима используются четыре связанных компонента:

• принтер Оптимум 360;
• специальный режим подготовки задания «Оптимум» в Полигон Х;
• филаменты линейки Оптимум с известными характеристиками усадки: ABS Оптимум, HIPS Оптимум и другие поддерживаемые материалы;
• профили с пометкой «Оптимум» из базы профилей ПИКАСО 3Д, с заранее подобранными коэффициентами компенсации.

В этой связке система позволяет с первой печати получать размеры деталей в пределах 12-го квалитета точности.

В Полигон Х оператор подготавливает задание в режиме Оптимум, а перед запуском выбирает на принтере профиль используемого материала. Коэффициенты компенсации хранятся в профиле и автоматически применяются оборудованием во время печати. Оператору не требуется предварительно печатать образцы, измерять отклонения и вручную подбирать коэффициенты масштабирования для компенсации усадки.

Автоматическое применение компенсации снижает влияние человеческого фактора и помогает сохранять геометрию деталей при повторных запусках. Это особенно важно при печати сопрягаемых компонентов и партий изделий, размеры которых должны оставаться согласованными.

Режим Оптимум работает только в этой связке — принтер, специальный режим подготовки задания, профиль и филамент Оптимум.

Непрерывная печать: что происходит, когда заканчивается пластик

При продолжительном задании материал может закончиться или обломиться. Из реального опыта наших клиентов: ответственная деталь, расчётное время печати 58 часов. Катушка заканчивается на сорок третьем часе печати, в три часа ночи, в субботу, в пустом цеху. Утром в понедельник получаем недопечатанную бракованную деталь, которая нужна сегодня, но готова она будет теперь не раньше четверга.

Что делает Оптимум 360

Система постоянно контролирует наличие и подачу материала с помощью датчиков. Если пластик заканчивается или обрывается, Оптимум 360 может продолжить задание без участия оператора — при условии, что резервный материал установлен и заправлен заранее. Для этого предусмотрены два механизма:

• Автодозаправка внутри отсека. В один отсек сушки установлены две одинаковые катушки, пластик заправлен в доподатчики. Когда первая катушка заканчивается, принтер подхватывает материал со второй и продолжает печатать тем же соплом.
• Переключение на второе сопло. Если одинаковый пластик заправлен в оба сопла, система переходит на второе и допечатывает задание им. Этот путь работает и тогда, когда материал в отсеке закончился полностью.

Геометрия в зоне перехода сохранилась: ступеньки и наплыва на стенке нет, слои легли ровно. Границу видно по цвету.

Что это даёт

• Детали, на которые не хватает одной катушки. Печать габаритных изделий больше не упирается в объём одной катушки.
• Непрерывное производство. Принтер не требует постоянного присутствия оператора для контроля.
• Использование материала на 100%. Остатки пластика на катушках можно использовать без предварительного расчёта, хватит ли их для завершения задания.
• Хрупкие материалы. HIPS GF, Termax и подобные пластики склонны обрываться в канале подачи. Обрыв в этом случае обрабатывается так же, как окончание катушки.

Непрерывная печать позволяет продолжить задание, если материал закончился или оборвался. Она не защищает от проблем с адгезией, засора сопла, механических неисправностей и перебоев с электропитанием.

Техническое и технологическое сопровождение

Мы не ограничиваемся поставкой оборудования — помогаем внедрить технологию в производство.

Пусконаладка и обучение команды входят в стоимость оборудования. Дополнительные выезды специалиста, а также конкретные условия поставки и сервисного обслуживания согласуются при обсуждении проекта и фиксируются в договоре.

Что учесть перед покупкой

Требования к площадке

• Помещение. Температура 15–30 °C, влажность 30–65 %. Ровный прочный пол, свободный доступ к принтеру со всех сторон. Оборудование следует размещать вдали от источников вибрации и загрязнений, а также прямых солнечных лучей.
• Электропитание. Отдельная линия с заземлением и УЗО. Рекомендуем использовать стабилизатор или ИБП с чистой синусоидой и запасом по мощности не менее 30 %.
• Вентиляция. Советуем использовать принтер в помещении с хорошей естественной или принудительной вентиляцией.

Ограничения, о которых важно знать

Оптимум 360 автоматизирует подготовку материала, калибровку, контроль подачи и часть операций при запуске. Однако оборудование не заменяет технолога.

На результат по-прежнему влияют геометрия детали, ориентация, толщина стенок, расположение поддержек, состояние пластика и требования к готовому изделию.

Опытному пользователю доступно много параметров, но он же отвечает за внесённые изменения.

Итог

ПИКАСО 3Д Оптимум 360 — не отдельный 3D-принтер, а комплексная система для производства изделий из инженерных пластиков. Она объединяет сушку, хранение и подачу материала, печать в активно подогреваемой камере, технологию двухматериальной печати JetSwitch, готовые профили и управление через Полигон Х.

Для пластиков линейки Оптимум доступен специальный режим с автоматической компенсацией усадки, позволяющий с первой печати получать размеры деталей в пределах 12-го квалитета точности.

Долгие печати не прерываются из-за закончившегося пластика: система переходит на вторую катушку или второе сопло и продолжает печать.

Оптимум 360 подходит предприятиям, которым необходимо изготавливать функциональные прототипы, оснастку, запасные части, единичные изделия и небольшие серии. Система позволяет выстроить единый процесс работы с инженерными материалами и встроить 3D-печать в производство.

Выгоду от внедрения нужно рассчитывать на конкретных деталях. В рассмотренном кейсе себестоимость корпуса вычислителя снизилась с 3 950 до 1 734 рублей. При выпуске 1000 корпусов в год экономия составляет 2,2 млн рублей. Для других задач результат будет зависеть от материала, конструкции изделия и объёма производства.

Что делать дальше