PolyJet 3D-печать: принципы работы, отличия от FDM и SLA, и сферы применения

К настоящему времени почти каждый слышал о 3D-печати и о том, как она меняет множество отраслей, создавая новые возможности практически каждый день. Наиболее популярные технологии, используемые сообществом энтузиастов — это моделирование методом слоёвого наплавления (FDM) и стереолитография (SLA). Однако более высокие требования зачастую требуют более дорогих промышленных установок, таких как принтеры PolyJet.

Что такое PolyJet 3D-принтер?

В мире 3D-печати названия могут быть запутанными, и часто одна и та же технология или продукт имеют два и более наименования. Хороший пример — FDM (Fused Deposition Modeling) и FFF (Fused Filament Fabrication), обозначающие печать термопластиковой нитью.

PolyJet (или Poly Jet) не исключение: эта технология работает по тем же принципам, что и принтеры Material Jetting (MJ). Компания Stratasys разработала собственную технологию струйковой печати жидкостей и назвала её PolyJet, отсылая к сути процесса.

Данный метод использует фото بولymers как строительный материал. Принтер наносит капли фотополимера на строительную платформу, где они мгновенно polymеризуются под воздействием UV-излучения. Процесс отличается высокой скоростью, а точность печати — одними из лучших в отрасли.

Компания 3D Systems назвала свои принтеры на этой основе MJ-принтерами или MultiJet-принтерами. Название снова отражает технологию: используется множество сопел для точного распыления жидкого фотополимера на строительную плиту.

Как видите, названия в 3D-печати могут сначала сбивать с толку, но на самом деле они вполне логичны. Отсутствие единого стандарта наименований во многом связано с брендингом и маркетингом: чем больше внимания компания привлекает к своим продуктам, тем лучше её финансовые показатели. Это напоминает игру «Выживание», где к трём измерениям — «Перехитрить, Переумнить, Переиграть» — добавляется четвёртое: «Переименовать».

Струйковая печать фотополимерами относится к подклассу категории материалов, наносимых экструзией/струйковым способом. Material Jetting использует технологии, наносящие жидкий фотополимер печатающей головкой с последующей UV- polymеризацией. Большинство, но не все процессы Material Jetting используют фотополимеры как строительный материал.

Stratasys считается мировым лидером в технологии FDM (FFF), а поглощение компании Objet в 2012 году привело к появлению принтеров PolyJet и PolyJet Matrix. Эти принтеры способны на многоматериальную и многоколористовую печать, обеспечивая высокое качество изделий.

Как работает PolyJet-принтер?

Во многом PolyJet-печать похожа на струйковую печать документов. Разница в том, что PolyJet-принтеры создают объёмные модели, добавляя третье измерение. Это достигается поэтапной печатью слой за слоем, как и при FDM-печати.

Каждый нанёсённый слой мгновенно polymеризуется под UV-излучением, и так систематически строится изделие. После завершения печати деталь может сразу использоваться без дополнительной пост-полимеризации, что значительно экономит время.

Поддерживающие структуры всё ещё необходимы для выступов и других геометрических элементов, требующих опоры до завершения polymеризации. Для этого применяется специальный гелеобразный материал, который после печати легко удаляется вручную, промывкой водой и последующим погружением в химический раствор для удаления остатков.

Среди преимуществ PolyJet-печати — высокая скорость, выдающаяся точность и качество, а также широкий выбор материалов, которые можно использовать одновременно, как, например, в принтере Stratasys Objet Connex 3D.

Перед началом печати фотополимер в резервуаре нагревается до оптимальной температуры для обеспечения нужной вязкости. Печатающая головка перемещается по оси X, селективно распыляя тончайшие капли смолы на платформу, где они мгновенно застывают под UV-излучением. Благодаря нескольким печатающим головкам поддерживающие структуры печатаются одновременно из специального материала, легко удаляемого после печати. После завершения каждого слоя платформа опускается на шаг, и процесс повторяется. Среди доступных материалов — биосмолы.

Готовые изделия с полимерной струйковой печатью промывают под давлением для удаления опор, затем погружают в химический раствор для растворения остатков. В MultiJet-принтерах для опор используется парафиновый воск, который удаляется плавлением в печи.

Для полного понимания процесса рекомендую посмотреть видео с демонстрацией работы принтера.

Похож ли PolyJet на FDM?

Хотя и PolyJet, и FDM строят изделие слой за слоем, процессы принципиально различаются. FDM использует термопластики, а PolyJet — жидкие фотополимеры.

При FDM-печати термопластиковая нить с катушки подаётся в печатающую головку, где плавится и экструдируется слоем, который остывает и твердеет. Процесс повторяется для каждого слоя. При PolyJet-печати каждый слой жидкой смолы polymеризуется UV-светом, и слои наслаиваются друг на друга, образуя готовое изделие.

Похож ли PolyJet на SLA?

PolyJet похож на SLA тем, что оба метода используют жидкую смолу, polymеризуемую UV-светом, но процессы сильно отличаются. SLA печатает «вверх ногами», используя ванну с смолой, в то время как PolyJet-принтеры распыляют микрокапли на строительную плиту, наращивая деталь вверх.

Оба метода печатают слой за слоем, но PolyJet имеет чёткие преимущества: нет ограничения по типу смолы, опоры смываются водой без длительной пост-обработки, а объём печати может быть больше благодаря твердому polymеризованному слою.

Главное преимущество PolyJet перед SLA — многоматериальная печать, позволяющая менять свойства изделия в разных зонах. SLA даёт однородную деталь с заданной жёсткостью, а PolyJet комбинирует материалы, делая одни участки жёсткими, другие — гибкими.

Какие материалы используют PolyJet-принтеры?

Ассортимент фотополимеров для PolyJet-принтеров широк и покрывает множество применений. Ниже приведены примеры, востребованные в медицине и стоматологии:

BoneMatrix: модели, имитирующие пористую структуру костей, фиброзные ткани и связки.
GelMatrix: детализированные сосудистые структуры.
Med610: хирургические навигаторы для дентальных имплантов и ортопедических операций.
Med620: точные примерочные модели для стоматологии.
Med690: прочные коронки и мосты.
VeroFlex: оправы для очков.

Интересно наблюдать, как разные материалы воспроизводят реальные свойства создаваемых частей. В стоматологии можно печатать мягкие основы протезов, имитирующие резину, что снижает давление на дёсны. Возможность создавать прочные протезы с фактурой реальных тканей и костей поражает воображение.

Преимущества и недостатки PolyJet 3D-печати

Как и у любой технологии, у PolyJet есть плюсы и минусы.

Преимущества

Точность до 16 микрон и гладкая поверхность, сравнимая с литьём в формы. Одновременная печать нескольких деталей не снижает скорость.
Полноцветная печать и использование разных материалов в одной детали благодаря множественным печатающим головкам.
Мгновенная polymеризация — изделия готовы к использованию сразу после печати.
Высокая детализация, опоры легко удаляются промывкой.
Более 100 доступных материалов, число постоянно растёт.

Недостатки

Механические свойства PolyJet-изделий часто уступают FDM и SLA: они чувствительны к теплу и солнечному свету, теряя прочность со временем. Однако огромный выбор материалов позволяет подобрать подходящий вариант для большинства задач.

Другой минус — высокая стоимость принтеров и расходников, что делает их недоступными для многих энтузиастов.

Дорого ли PolyJet?

Короткий ответ: да, PolyJet дорог. Это связано с тем, что Material Jetting — относительно новая промышленная технология. Но это не должно останавливать от изучения её возможностей по сравнению с FDM или SLA.

Приобретение PolyJet-принтера потребует инвестиций от $35 000. При такой цене нужно чётко понимать задачи: печать качественных фигурок Покачу не окупится.

Применение PolyJet 3D-печати

Применение технологии широко и востребовано в профессиональной среде благодаря умению справляться с сложными деталями и тонкими элементами.

В США PolyJet используется в автопроме, архитектуре, промышленности и образовании. Медицина активно применяет её для протезов, эндопротезов и стоматологии. Стоматологические применения распространены в развитых странах, но менее — в развивающихся экономиках (например, Индия), что открывает большой потенциал роста.

PolyJet в здравоохранении

Стоматология приняла технологии струйковой печати, так как они позволили масштабировать рынок элайнеров. Простота эксплуатации и высокая скорость позволяют выполнять заказы по запросу.

Авиакосмическая промышленность

PolyJet-технологии принесли огромную экономию: Министерство обороны США сэкономило $3,8 млн, ожидается экономия более $15 млн в ближайшие 10–15 лет. Постоянно обновляемые конструкции самолётов требуют прототипов, и Material Jetting — идеальный способ их создания.

Автопром

Автопром получил огромную пользу от 3D-технологий: быстрые прототипы, оснастка, стыковочные приспособления и серийные детали, изготовленные методом струйковой печати, значительно ускорили разработки.

Железные дороги

PolyJet сократило время производства кастомных серийных деталей до 95%, что означает эффективность и быструю реакцию на запросы с соблюдением безопасности.

Искусство и мода

Искусство и мода сотрудничают с 3D-печатью: компании вроде Stratasys соединяют инновации с творчеством, отражая философские и культурные измерения. Одним из направлений — струйковая печать шоколадом, что лишь одно из множества применений PolyJet.

Заключение

Теперь у вас должно быть хорошее понимание PolyJet-печати, и, возможно, желание приобрести такой принтер. Пока вы копите $35 000, рекомендую начать с хоббийного FDM- или SLA-принтера, чтобы «попробовать на зуб» мир 3D-печати. Вы не только узнаете, интересна ли вам эта отрасль, но и, возможно, поймёте, что промышленный станок вам не нужен.