PolyJet и MultiJet: в чем разница?

PolyJet и MultiJet — это две технологии трехмерной печати (3D-печати), относящиеся к категории аддитивного производства, которые используют метод струйной подачи материала (material jetting) для создания высокоточных объектов из фотополимеров, отверждаемых ультрафиолетовым (УФ) светом. Эти технологии, разработанные компаниями Stratasys (PolyJet) и 3D Systems (MultiJet), соответственно, имеют много общего в своей базовой концепции, но различаются по ряду технических аспектов, включая используемые материалы, процессы постобработки, возможности печати и области применения. Обе технологии представляют собой важные достижения в области быстрого прототипирования и производства малых серий, находя применение в таких отраслях, как медицина, стоматология, ювелирное дело и промышленный дизайн. Данная статья посвящена детальному сравнению этих двух методов, их истории, технических характеристик, преимуществ и ограничений, а также их влияния на современное производство.

Технология PolyJet была впервые представлена в 2000 году израильской компанией Objet Geometries, которая впоследствии, в 2012 году, объединилась с американской компанией Stratasys, ставшей лидером в области 3D-печати. Название «PolyJet» происходит от сочетания слов «polymer» (полимер) и «jetting» (струйная подача), что отражает суть процесса: жидкие фотополимеры подаются через печатающие головки, подобные тем, что используются в традиционных струйных принтерах, и немедленно отверждаются под воздействием УФ-ламп. MultiJet, в свою очередь, является фирменной технологией компании 3D Systems, одного из пионеров аддитивного производства, основанного в 1986 году Чаком Халлом, изобретателем стереолитографии (SLA). MultiJet Printing (MJP) также базируется на струйной подаче материала, но отличается подходом к выбору материалов и методам удаления поддерживающих структур. Обе технологии позволяют создавать сложные геометрии с высоким уровнем детализации, однако их различия в реализации делают их подходящими для разных задач.

Принцип работы PolyJet заключается в следующем: печатающая головка, оснащенная множеством сопел, наносит тонкие слои жидкого фотополимера на рабочую платформу слой за слоем. Каждый слой, толщина которого может достигать 16 микрометров, мгновенно отверждается УФ-светом, излучаемым лампами, расположенными непосредственно на печатающей головке. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирован полный объект. Важной особенностью PolyJet является возможность одновременной печати несколькими материалами, что позволяет создавать композитные структуры с различными физическими свойствами, такими как жесткость и гибкость, в рамках одного изделия. Поддерживающие структуры, необходимые для удержания нависающих элементов или сложных геометрий, печатаются из специального гелеобразного материала, который затем удаляется с помощью водоструйной обработки или химического раствора.

MultiJet работает по схожему принципу, однако имеет свои особенности. В этой технологии печатающая головка также распыляет фотополимерные капли, которые отверждаются УФ-светом, но в качестве материала для поддержки используется парафиновый воск. После завершения печати изделие помещается в печь или ванну с горячей жидкостью, где воск плавится и удаляется, оставляя готовую деталь. В отличие от PolyJet, MultiJet не позволяет одновременно печатать несколькими материалами в одном процессе, что ограничивает его возможности в создании многофункциональных объектов. Однако использование воска в качестве поддерживающего материала упрощает процесс постобработки, особенно для сложных изделий с внутренними полостями, где удаление геля PolyJet может быть затруднительным.

Исторически разработка этих технологий связана с эволюцией аддитивного производства в конце XX и начале XXI века. После изобретения стереолитографии в 1980-х годах возникла потребность в более быстрых и точных методах создания прототипов. Stratasys, приобретя технологию PolyJet, сделала ставку на универсальность и многообразие материалов, что позволило ей занять нишу в производстве высокодетализированных моделей и функциональных прототипов. 3D Systems, напротив, сосредоточилась на оптимизации скорости и простоты постобработки с помощью MultiJet, что сделало эту технологию популярной в таких областях, как стоматология и ювелирное дело, где важны мелкие детали и гладкость поверхности. Обе компании продолжают развивать свои технологии, выпуская новые модели принтеров и расширяя ассортимент материалов.

С точки зрения материалов, PolyJet предлагает более широкий выбор. Stratasys разработала линейку фотополимеров, включая жесткие, гибкие, прозрачные и цветные варианты. Благодаря технологии цифровых материалов (Digital Materials), PolyJet позволяет смешивать несколько базовых смол в процессе печати, создавая сотни комбинаций с различными значениями твердости по Шору (от 27A до 95A) и цветовыми характеристиками, соответствующими стандарту Pantone. Это делает PolyJet идеальным выбором для создания реалистичных моделей, таких как анатомические макеты для медицинского образования или прототипы потребительских товаров с мягкими покрытиями. MultiJet, напротив, ограничивается использованием одного материала за раз, хотя 3D Systems предлагает разнообразные фотополимеры, включая варианты для литья и высокотемпературные смолы, а также восковые материалы для создания литейных форм.

Толщина слоя — еще один важный параметр, влияющий на качество печати. PolyJet способен достигать минимальной толщины слоя в 16 микрометров, что обеспечивает исключительную гладкость поверхности и точность деталей. MultiJet также демонстрирует высокую точность с толщиной слоя до 16 микрометров у некоторых моделей (например, ProJet MJP 5600), но в среднем этот показатель составляет 32 микрометра для большинства устройств. Это делает обе технологии пригодными для изготовления мелких деталей, таких как зубные коронки или ювелирные изделия, однако PolyJet чаще выбирают там, где требуется максимальная детализация и эстетика.

Процесс постобработки существенно различается между этими технологиями. В случае PolyJet удаление поддерживающего материала требует ручного труда и использования водоструйных систем высокого давления для смыва гелеобразного материала. Если деталь имеет сложную геометрию или тонкие элементы, может потребоваться дополнительная обработка химическими растворами, такими как щелочные ванны, для полного удаления остатков. Этот процесс может быть трудоемким и требует осторожности, чтобы не повредить хрупкие элементы изделия. MultiJet, напротив, предлагает более автоматизированный подход: после печати изделие помещается в печь, где воск плавится при температуре около 60–70 °C, оставляя чистую деталь. Этот метод быстрее и менее трудозатратен, но нагрев может привести к деформации пластиковых частей, если их температура размягчения близка к температуре плавления воска.

С точки зрения стоимости, обе технологии относятся к премиум-сегменту 3D-печати. Принтеры PolyJet, такие как Stratasys J850 или Objet30, имеют цену в диапазоне от 6 000 до 250 000 долларов США в зависимости от модели и функциональности. MultiJet-принтеры, например, 3D Systems ProJet MJP 2500, стоят в среднем около 43 000 долларов, хотя более продвинутые модели могут быть дороже. Стоимость материалов также высока: фотополимеры для PolyJet стоят от 200 до 300 долларов за литр, а смолы и воск для MultiJet — в схожем ценовом диапазоне. Однако эксплуатационные расходы на постобработку для MultiJet могут быть ниже благодаря упрощенному удалению поддержки.

Применение этих технологий охватывает широкий спектр отраслей. PolyJet широко используется в медицинской сфере для создания анатомических моделей, которые помогают хирургам планировать операции, а также в дизайне потребительских товаров, где важны эстетические качества и возможность комбинирования материалов. Например, прототипы с резиноподобными покрытиями или многоцветные макеты упаковки часто создаются с помощью PolyJet. MultiJet, благодаря простоте удаления восковых поддержек и высокой точности, популярен в стоматологии для производства зубных форм и коронок, а также в ювелирном деле для создания мастер-моделей для литья по выплавляемым моделям.

Скорость печати — еще один аспект, где технологии демонстрируют различия. PolyJet быстрее для небольших объектов (до 5 дюймов в объеме), так как печатающая головка одновременно наносит материал на всю ширину платформы. Однако для крупных деталей время печати увеличивается из-за необходимости перемещения головки на большие расстояния. MultiJet, напротив, может быть быстрее для средних и крупных партий благодаря оптимизированным параметрам печати и меньшей зависимости от размера объекта, хотя точные показатели зависят от модели принтера.

Обе технологии имеют свои ограничения. PolyJet ограничен размером печатаемых деталей: при увеличении объема смолы начинают сжиматься, что снижает точность. Кроме того, фотополимеры PolyJet менее устойчивы к высоким температурам и механическим нагрузкам по сравнению с термопластами, используемыми в других методах, таких как FDM (моделирование методом наплавления). MultiJet сталкивается с ограничениями в многообразии материалов и неспособностью создавать гибридные структуры в одном цикле печати. Кроме того, нагрев при удалении воска может повлиять на стабильность тонких или сложных деталей.

Сравнивая PolyJet и MultiJet с другими технологиями 3D-печати, такими как стереолитография (SLA) или цифровая обработка света (DLP), можно отметить, что они выделяются благодаря струйному методу нанесения материала. SLA, например, использует лазер для точечного отверждения смолы в ванне, что обеспечивает высокую точность, но медленнее для больших объемов. DLP проецирует свет на всю поверхность слоя, что ускоряет процесс, но ограничивает выбор материалов. PolyJet и MultiJet, напротив, сочетают скорость и точность с возможностью работы с фотополимерами, хотя уступают в прочности технологиям, использующим порошковые термопласты, таким как Multi Jet Fusion (MJF) от HP.

В заключение, PolyJet и MultiJet представляют собой родственные, но различные подходы к струйной 3D-печати. PolyJet выделяется своей универсальностью, способностью к многоцветной и многоматериальной печати, что делает его предпочтительным для сложных визуальных и функциональных прототипов. MultiJet, напротив, предлагает простоту постобработки и высокую точность для специфических задач, таких как литье и производство мелких деталей. Выбор между ними зависит от конкретных требований проекта, включая бюджет, желаемые свойства материала и сложность геометрии изделия.