Немного истории
Современная настольная 3D-печать зародилась чуть более 10 лет назад, когда возникло сообщество энтузиастов RepRap. Целью проекта было «самокопирование», воспроизведение компонентов самих 3D-принтеров. Стояла задача мелкосерийного производства 3D-принтеров на самих же 3D-принтерах. Эту идею подхватил и развил чешский инженер и предприниматель Йозеф Пруша. Он создал самую большую ферму 3D-печати для печати пластиковых деталей, производимых его фабрикой 3D-принтеров. Суммарное количество принтеров на его фабрике доходит до 1000 штук, это достижение даже было зарегистрировано в книге рекордов Гиннесса.
Я бы в данном случае отметил маркетинговый талант Йозефа, ведь его компания производит порядка 100 тысяч принтеров в год и его производство сложно назвать мелкосерийным. Тем не менее, он продолжает печатать пластиковые компоненты для своих принтеров на них же. Таким образом подчеркивается их надежность, ведь печать является частью тестировочного процесса, с одной стороны, а с другой, демонстрирует покупателям качество изготавливаемых на 3D-принтере моделей. Эффективность такого подхода, с точки зрения самого производства, ничтожна. Один термопластавтомат справился бы с этой задачей легко, сэкономив много места и электричества, отпала бы необходимость в большом количестве рабочих мест.
Возможности 3D-печати для мелкосерийного производства
Какие же возможности предоставляет настольная 3D-печать для мелкосерийного производства? Сразу отмечу, что данная статья о настольных 3D-принтерах. Я не буду рассматривать в ней промышленные системы, так как они находятся в другой ценовой категории, как самого оборудования, так и материалов печати.
Для начала стоит рассказать о том, что можно производить на 3D-принтерах. Обычно речь идет о небольших пластиковых элементах, заглушках, фиксаторах, корпусах, держателях и прочих подобных элементах. Выбор состоит в том, чтобы заказать пресс-форму или же напечатать эти элементы на 3D-принтерах. Сделать такой выбор легко, подсчитав стоимость прессформы, себестоимость получаемых на термопластавтомате изделий и себестоимость печати такого же изделия на 3D-принтере необходимого тиража. Надо понять сколько единиц продукции за единицу времени вам необходимо произвести и, соответственно, сколько и какие 3D-принтеры понадобятся для этой задачи. Произведя подобный начальный анализ и предварительно поняв, что 3D-печать – то, что вам подходит, стоит внимательно приступить к выбору оборудования.
Если вы уже знаете, что именно будете печатать, выбор становится проще. Если же вы планируете в дальнейшем производить различные по задачам модели, то перед покупкой стоит внимательно проанализировать возможные варианты. Главным фактором, влияющим на выбор оборудования, является наличие или отсутствие определенной функциональности в будущих моделях. Принтер должен печатать теми материалами, которые обеспечат функциональность ваших изделий. Например, будущая деталь должна выдерживать определенную температуру нагрева или охлаждения, быть прочной, жесткой, износо- и ударостойкой или, наоборот, мягкой, резиноподобной, эластичной, гибкой. Чем более универсален 3D-принтер, тем он дороже. Ведь для печати различными видами пластика принтеры оснащаются закрытыми камерами, сменными экструдерами, площадками с перфорацией, механизмами подачи с регулировкой прижима нити и т.д.
Варианты решений на базе FDM/FFF технологии
Речь идет о технологии печати FDM/FFF, наиболее часто используемой на сегодняшней день для мелкосерийного производства. Давайте рассмотрим несколько технологических решений, которые предлагают производители.
Самым бюджетным и подходящим для печати простых моделей из таких пластиков, как PLA или PETG, является решение на базе бюджетных принтеров типа Creality Ender-3. Это очень простенькие модели, которые устанавливаются на стеллажи.
На фото ферма 3D-печати в Creality3D
Среди плюсов такого решения: возможность быстро его развернуть практически в любом подходящем месте, быстро увеличить количество принтеров для увеличения производительности фермы. Из минусов: невозможность печати инженерными пластиками, необходимость вручную снимать модели, а также невозможность удаленного мониторинга и контроля за печатью.
Следующим уровнем организации мелкосерийного производства является ферма принтеров, способных справляться с максимально разнообразными задачами. Например, ферма, построенная на базе 3D-принтеров Raise3D Pro2. Каждый такой принтер оснащен двумя экструдерами, закрытой камерой и встроенной веб-камерой для удаленного мониторинга. На таких принтерах можно легко менять «выпускаемые» модели. Сегодня это могут простые заглушки из PLA пластика, а завтра уже сложные модели из карбона или шестеренки из нейлона. К минусам можно отнести только высокую стоимость оборудования и оставшуюся необходимость снимать готовые модели вручную.
На фото ферма 3D-печати в компании 2050.AT
Еще одним вариантом такого решения является ферма на базе принтеров с двумя независимыми экструдерами типа IDEX. На фото внизу можно увидеть подобную ферму на базе принтеров Raise3D E2. Решение имеет дополнительное преимущество, повышающее производительность: каждый принтер может одновременно печатать две одинаковые модели вместо одной. Минусы остались прежними: необходимость снимать модели вручную и довольно высокая стоимость самих принтеров. Преимущества все те же плюс увеличенная производительность.
На фото ферма 3D-печати в компании 3D.RU
Если для предыдущих решений мелкосерийное производство является одним из возможных применений, то принтер, о котором речь пойдет дальше, создан специально для этой задачи. Модель TierTime X5 представляет собой мини конвейер с 12-ю сменными площадками для долгой, беспрерывной печати. После окончания печати модели или моделей площадка съезжает с платформы, и на ее место становится новая, после чего печать может продолжиться. При этом печататься могут как одинаковые, так и разные модели. Принтер также поддерживает очередь на печать, разные сотрудники могут отправлять на него задания, и они будут выполняться по мере поступления. Модели же с площадок по-прежнему придется снимать вручную, так что о полной автоматизации говорить пока рано. Из минусов стоит отметить высокую стоимость оборудования и его низкую производительность. За сопоставимые деньги можно купить до 10 принтеров такого же уровня, но их производительность будет в 10 раз больше. Правда они будут занимать гораздо больше места, и следить за 10-ю принтерами гораздо сложнее, чем за одним. Но при этом надо учесть, что, если один из 10 принтеров ломается, у вас остается еще 9. Если же ломается единственный принтер, вы остаетесь без своего оборудования на неопределенный промежуток времени, в зависимости от сроков ремонта.
Еще одним вариантом принтера, созданного специально для мелкосерийного производства, является модель ленточного типа Creality3D CR-30 PrintMill. Этот принтер создан по принципу ленточного конвейера, модели могут печататься бесконечно и сами падать в коробку, вам остается только не забывать менять пластик. Участие человека минимально, но из-за сложной конструкции, где печать ведется под углом 45С°, есть много ограничений по геометрии моделей, расположению поддержек и других нюансов. Но зато это самый автоматизированный процесс из всех возможных на сегодняшний день, особенно учитывая скромный бюджет на покупку.
Стремясь к полной автоматизации мелкосерийного производства, производители и создатели фабрик 3D-печати или мелкосерийных производств добавляют различное оборудование. В частности, для автоматизации снятия моделей используются коботы (коллаборативные роботы), которые программируются на снятие площадки вместе с напечатанной моделью и установку новой печатной платформы, после чего печать возобновляется. Это безумно дорогое решение, которое не особо улучшает производительность, и может быть оправдано только в странах с невероятно высоким уровнем оплаты труда.
На фото ферма 3D-печати VooDoo Manufacturing
Еще одно возможное решение полной автоматизации процесса мелкосерийного производства при помощи 3D-печати представила латвийская компания Mass Portal. Она создала портальную систему для этой задачи. Принтеры устанавливаются в стойку, где рука-манипулятор снимает площадки с готовыми моделями и переносит их в специальную стойку хранения. Такое решение практически полностью автоматизирует весь процесс, но стоимость ее настолько высока, а сама система настолько громоздка, что говорить о её эффективности для широкого круга задач не приходится.
Варианты решений на базе фотополимерной печати
Все решения, о которых шла речь ранее в этой статье, были созданы на базе технологии FDM/FFF, которая подразумевает печать с помощью расплавленной пластиковой нити. Но в последнее время набирают большую популярность фотополимерные 3D-принтеры, которые печатают по принципу формирования модели из жидкого фотополимера. С точки зрения мелкосерийного производства, у этой технологии есть ряд преимуществ. Прежде всего, производительность. Технология позволяет засвечивать весь слой сразу - таким образом принтер затрачивает одно и тоже время на печать одной или любого другого количества моделей, которые влезают в область построения. Если ранее настольные фотополимерные принтеры обладали скромными размерами площадок и, соответственно, их производственный потенциал был не очень высок, то уже в этом году был представлено ряд моделей с большой областью печати и высокой детализацией, например, модель принтера Phrozen Sonic Mega 8K.
Печать моделей на фото длилась 3,5 часа. Довольно не сложно посчитать производительность принтера. В данном случае даже один принтер является мини-фабрикой и способен решать серьезные производственные задачи. Также важно отметить, что в отличии от FDM/FFF принтеров, все фотополимерные 3D-принтеры изначально универсальны - вы сможете печатать на них любыми имеющимися на рынке смолами или даже теми, которые появятся в будущем.
Не стоит удивляться тому, что создатели ферм 3D-печати были вдохновлены огромными открывающимися возможностями, и было создано много мелкосерийных производств на базе такого оборудования. Например, британская компания Photocentric открыла крупнейший подобный центр в Европе на базе своей модели LC Magna. Он пришелся как нельзя кстати во времена пандемии, когда нужно было срочно налаживать производство необходимых для лечения больных элементов, например, сменных клапанов для аппаратов ИВЛ.
К сожалению, без существенных минусов здесь тоже не обходится, но давайте об всем по порядку. Прежде всего, это процесс постобработки напечатанных моделей, который состоит из промывки моделей в спирте и последующей дозасветки в УФ-камере. Без этих процедур модель не приобретет финальное качество. Эти процессы невозможно автоматизировать, они требуют больших трудозатрат, и это надо учитывать при выборе оборудования. Кроме того, надо принимать во внимание, что стоимость фотополимерной смолы в среднем в 3 раза больше, чем пластика для 3D-печати, и, соответственно, себестоимость получаемых изделий будет выше. Еще одним фактором, которой надо учитывать, является необходимость специальной подготовки места установки принтеров, наличие качественной вентиляции и возможности утилизации отходов.
Итоги
Подводя краткие итоги, стоит сказать, что даже один 3D-принтер — это подходящее решение для мелкосерийного производства. 3D-печать идеально справляется с мелкосерийным производством. Главное - правильно подобрать подходящее оборудование, рассчитать сроки его окупаемости и себестоимость конечного изделия. Исходя из этого, можно будет сделать простой вывод, решите ли вы свои задачи или создадите новые проблемы. Перед тем, как принять решение, я бы посоветовал сделать пробную печать, понять производительность принтера, стоимость материала и качество готового изделия. Это позволит принять правильное решение перед покупкой.
