Плюсы и минусы применения 3D-принтера

3D-печать приобретает всё большую популярность во всех сферах деятельности человека. Выйдя не так давно за пределы лабораторий, научно-исследовательских комплексов и производственных предприятий, она все прочнее укореняется в окружающем мире. Но насколько эта технология полезна на самом деле, для чего она годится?

В статье мы рассмотрим преимущества и недостатки, плюсы и минусы 3D-принтеров и 3D-печати, по сравнению с другими технологиями и методами.

Содержание

• 3D-печать и прочие технологии производства
• Скорость производства
• Стоимость производства
• Качество продукции
• Точность копий
• Гибкость производства
• Доступность
• Заключение
• Минусы 3D-принтеров

3D-печать и прочие технологии производства

И сразу же перейдём к вопросу полезности технологии. Всё зависит от того, что именно и в каких объемах вы собираетесь производить. Если речь идёт о всевозможных полезных приспособлениях для дома, которые можно изобрести самому (или они существуют в принципе, но в продаже их нет), либо о печати деталей для ремонта домашней утвари, то помощь 3D-принтера невозможно переоценить. 3D-печать зачастую позволяет сделать то, что слишком дорого или очень сложно (а иногда и невозможно) осуществить с помощью иных технологий.

Фото: thingiverse.com

Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства хорошо заметны и в профессиональном применении. Но, обо всём по порядку.

Если говорить о сравнении с традиционными технологиями производства, такими как литье, фрезеровка, штамповка, резка и т.д.), то можно выделить следующие категории отличий:

• Скорость производства — указывает на затраченное время, от моделирования и до постобработки деталей;
• Стоимость производства — финансовые затраты на производство каждой конкретной детали;
• Качество продукции — говорит о точности производства относительно её соответствия итоговому продукту до постобработки.
• Точность копий — указывает на уровень идентичности производимых копий одного и того же изделия.
• Гибкость производства — затраты времени и финансов на переход к изготовлению нового продукта или внесение изменений в дизайн, уже запущенного в производство;
• Доступность — необходимость в финансовых затратах для приобретения производственных мощностей разного уровня сложности.

Фото: thermofisher.com

Скорость производства

Скорость 3D-печати, при производстве прототипов и единичных изделий, намного превосходит сроки запуска в производство аналогичной детали методами литья и штамповки, и сопоставима с фрезерованием на станках с ЧПУ.

Сопоставима, если речь идет об одной детали, но 3D-принтер может напечатать несколько деталей за то же время, что фрезер будет делать одну.

При уже налаженном крупносерийном производстве детали, скорость ее создания традиционными методами превосходит 3D-печать. В отношении простых типовых деталей это всегда будет так — их можно отливать и штамповать миллионами. А вот в работе с объектами посложнее и поинтереснее 3D-печать уже обходит их. О причинах — далее.

Не стоит забывать и о бытовом применении технологии. Благодаря появлению настольных 3D-принтеров, любители и энтузиасты могут создавать бесконечное разнообразие моделей. Это действительно так, ведь существует не так много ограничений по геометрии итогового продукта. На самом деле, скрытый потенциал 3D-печати настолько широк, что ограничен только вашей фантазией.

Фото: 3dprint-uk.co.uk

Таким образом, например, можно быстро спроектировать и напечатать пластиковую шестерню для блендера или кухонного комбайна — таких запчастей зачастую нет ни в официальных сервисных мастерских, ни на рынках, а заказ у производителя может легко обойтись в половину стоимости всего ремонтируемого прибора.

Фото: solidus-labs.blogspot.com

Стоимость производства

Здесь дела принимают интересный оборот. Как обсуждалось в предыдущем разделе, 3D-печать требует гораздо меньше времени для изготовления одного уникального компонента или прототипа, либо малых опытных серий, а для массового выпуска продукции чаще применяются традиционные технологии производства.

Стоимость производства единичных и мелкосерийных изделий 3D-печатью также превосходит традиционные методы, такие как литье и штамповка, т.к. не требует дорогой оснастки (литьевых и штамповочных форм) и переоборудования производственной линии.

Фото: 3dprinterchat.com

При уже налаженном крупносерийном выпуске тут то же, что со скоростью — себестоимость детали приближается к стоимости сырья и 3D-печать тут пока не может конкурировать, но стремительно приближается к этому.

В сравнении с изготовлением на фрезерных станках с ЧПУ, 3D-печать выигрывает по стоимости уже сейчас.

Фото: plastoco.fi

Для успешного ведения предпринимательской деятельности очень важен такой фактор, как точка безубыточности. Это показатель производства и реализации продукции, при котором расходы перекрываются доходами, а выпуск всех последующих экземпляров того же изделия начинает приносить прибыль.

Компания Xometry провела сравнение SLS-печати и литья под давлением. Выяснилось, что в некоторых случаях вторая технология может быть более экономически выгодной уже после изготовления первых 150 экземпляров одной и той же тестовой детали. Но прототипы для нее, мастер-модели, все равно выгоднее и проще всего печатать на 3D-принтере, так что аддитив тут никуда не девается.

Фото: xometry.com

Качество продукции

Качество традиционной продукции выпускаемой литьем, штамповкой и фрезерованием сравнимо с лучшими образцами 3D-печати, и тут у нее преимуществ нет.

Но это касается только традиционных простых форм — с созданием более сложных геометрически и конструктивно объектов 3D-печать справляется намного лучше, с ее помощью можно напечатать зачастую целиком такую деталь, которую другими методами создать невозможно в принципе, если только не изготавливать по частям и потом соединять (что сильно удорожает, усложняет и увеличивает сроки). Это уникальное преимущество 3D-печати.

Фото: 3dhubs.com

Точность лучших образцов 3D-принтов сравнима с лучшими образцами изделий перечисленных выше традиционных технологий, и лишь немного пока уступает многоосевой фрезеровке на станках с ЧПУ.

Однако точность прототипирования и макетирования на 3D-принтерах намного превосходит этот параметр для применявшихся ранее в этих областях ручных методов.

Фото: anthillonline.com

Точность копий

Во многих областях очень важна идентичность и взаимозаменяемость типовых деталей, без которой сложно себе представить ремонт техники заменой комплектующих и использование присоединяемых сменных блоков в каком угодно устройстве.

Фото: ultimaker.com

При использовании традиционных технологий производства достигаются очень высокие результаты по этому показателю.

С 3D-печатью дела обстоят немного сложнее. Благодаря тому, что детали печатаются последовательно, возможно проследить за нанесением каждого отдельного слоя, а иногда и обнаружить и исправить ошибки печати в реальном времени. Это позволяет существенно сократить процент дефектных изделий и потери сырья.

Фото: cults3d.com

Однако, при печати могут возникать несоответствия исходной модели. Это может происходить из-за разницы в качестве сырья, колебаний температуры окружающей среды, неравномерного остывания модели и прочих факторов.

Для полной идентичности всех экземпляров из партии, машины должны быть хорошо отлажены и находиться в контролируемой среде. При всех соблюденных условиях, качество и повторяемость 3D-печатных деталей из пластика становятся сравнимыми с выпускаемыми серийно по традиционным технологиям.

3D-печать металлами пока требует серьезной постобработки напечатанных деталей, если необходимо соответствие сверхточным размерам с малыми допусками.

Справедливости ради стоит отметить, что любой брак или неточность в 3D-печати — это брак одного изделия, а если какая-то неприятность происходит в серийном производстве традиционными методами — в утиль или на переработку уходит целая партия.

Гибкость производства

Как уже упоминалось, аддитивное производство не требует подготовки оснастки и перепрофилирования производственных мощностей. Вся необходимая подготовка к изготовлению новой детали — это создание цифровой модели. И тут аддитивные технологии значительно превосходят литье и штамповку.

Ещё одно преимущество 3D-принтеров заключается в способности напечатать практически всё, что может поместиться в объеме его области печати. Другие же производственные процессы (кроме фрезерования) требуют изготовления нового инструмента, пресс-формы или матрицы для создания нового или изменения дизайна существующего продукта.

Фото: simplify3d.com

Одним из наиболее существенных недостатков 3Д принтеров является использование поддержек. Суть состоит в том, что 3D-принтер создаёт модель послойно, и в точках, где возможна деформация или есть смещение центра тяжести, необходимо использование поддержек, чтобы предотвратить опрокидывание или разрушение модели в процессе печати. В последующем необходимо произвести постобработку, осторожно удаляя лишний материал, а затем отшлифовать деталь, чтобы сгладить шероховатости. Есть и альтернативные решения, такие как поддержки из PVA. ПВА растворяется в теплой воде, поэтому удалить его можно погрузив модель в воду на ночь.

Однако, для использования этого метода требуется принтер, который может печатать несколькими материалами одновременно, а PVA несколько дороже, чем обычные PLA или ABS пластики.

Фото: community.ultimaker.com

При 3D-печати по технологии SLS, когда принтер лазерным лучом спекает между собой частицы наносимого послойно порошка, обычно нейлонового или из другого полимера, поддержкой служит сам находящийся вокруг порошок, что позволяет не использовать конструкционные поддержки и печатать любое количество деталей во всем объеме камеры принтера.

Иллюстрация: Formlabs.com

Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства также ярко выражены и в возможности печати подвижных частей и механизмов в собранном состоянии. Это же утверждение справедливо и в отношении простоты производства деталей со скрытыми полостями и сложной структурой заполнения материалом.

Фото: pinterest.com

Скептики частенько указывают на такой недостаток технологии, как ограниченность в выборе материалов для производства. Данное утверждение справедливо, но на сегодняшний день уже существуют сотни различных материалов, с которыми могут работать 3D-печатники и этот перечень неуклонно расширяется. Ассортимент этих материалов не ограничивается лишь различиями в цвете или механических свойствах, существуют ароматизированные, магнитные, токопроводящие, изменяющие цвет и многие другие виды филаментов, порошков и фотополимеров для 3D-печати.

Доступность

3D-принтеры имеют очень широкий ценовой охват. Всё зависит от качества прибора, его характеристик и технологии печати, а также назначения.

Настольный любительский принтер, работающий по технологии FDM, можно приобрести всего от 100 долларов США. В то же время, ценники на системы для профессиональных пользователей стартуют от 1000 долларов США. Промышленные модели, могут стоить несколько десятков тысяч долларов.

Фото: nanalyze.com

Цены на продвинутые устройства кажутся заоблачными? Профессиональное и промышленное оборудование в принципе стоит недешево. Например, линия для литья под давлением вполне может стоить 50 000 долларов и более, это не учитывая цену установки или дополнительных инструментов, необходимых для создания самих форм.

Для создания новой уникальной детали из пластика традиционными методами, необходимо изготовить оснастку и настроить оборудование. Напечатать же новую деталь на 3D-принтере может практически любой человек, имеющий минимальные познания в трёхмерном моделировании и технике работы с 3D-принтером.

Таким образом, хотя системы 3D-печати по-прежнему не отличаются дешевизной, они доступнее широкому кругу пользователей, чем более традиционные производственные установки. Кроме того, 3D-печать по умолчанию почти полностью автоматизирована. Для работы, контроля и обслуживания принтера практически не требуется дополнительный персонал. Это ещё более снижает порог входа.

Фото: raconteur.net

Заключение

Если просуммировать всё изложенное выше, то мы получим следующий перечень плюсов и минусов 3D-принтеров, в сравнении с традиционными методами изготовления объектов:

Плюсы 3D-принтеров

• Отсутствие ограничений по сложности создаваемых конструкций;
• Быстрое начало производства;
• Широкий потенциал применения почти в любой области деятельности;
• Доступность широким слоям бизнеса и населения;
• Возможность применения различных материалов, перечень которых постоянно расширяется;
• Возможность поочередного производства принципиально разных моделей с минимальной сменой настроек, нет необходимости в перепрофилировании производства для выпуска новой продукции;
• Экономия любого используемого сырья, почти полное отсутствие отходов.

Минусы 3D-принтеров

• Меньшая точность в соблюдении заданных размеров, по сравнению со штамповкой и ЧПУ-фрезерованием (временная сложность, разрабатываются всё более точные новые модели);
• Ограниченность габаритных показателей печатаемых изделий для большинства моделей принтеров (уже существуют 3D-принтеры с камерой печати размером в куб с ребром в 1м и более, стоимость их правда намного выше обычных);
• Ограниченность в используемых материалах, даже на фоне постоянного внедрения новых — некоторые природные материалы невозможно использовать в 3D-печати с сохранением всех их полезных свойств;
• Мало развитый рынок труда специалистов в данной области, при условии что промышленная 3D-печать требует высокой квалификации (вопрос постепенно решается — все больше учебных заведений готовят соответствующих специалистов.

Фото: jabil.com

Есть много нюансов, которые следует учитывать перед тем, как заняться 3D-печатью. В целом стоит отметить, что для большинства производственных предприятий и индивидуальных мастерских данная технология будет полезна.

3D-принтер предлагает массу возможностей, позволяющих воплотить идею в жизнь быстрее, чем когда-либо прежде, экономит сырье, время и деньги, позволяя сделать почти любой производственный процесс эффективнее, быстрее и прибыльнее.