Из чего складывается цена 3D-печати: почему две похожие детали стоят по-разному

Вопрос «сколько стоит напечатать деталь» звучит так, будто у него есть короткий ответ вроде цены за килограмм. На практике две детали одинакового размера и из одного пластика могут отличаться по стоимости в несколько раз, и разница берётся не из ценовой политики, а из физики процесса: одна печатается четыре часа, другая тридцать, при почти одинаковом весе. Ниже разобрано, что именно оплачивается и на что заказчик может повлиять до того, как отдать модель в работу.

Два счётчика: материал и время станка

В стоимости печати работают два независимых счётчика, и путаница чаще всего возникает потому, что заказчик держит в голове только первый.

Первый счётчик — материал. Он честно пропорционален весу: пластик расходуется ровно на то, что осталось в детали, плюс на поддержки и на технологические элементы вроде юбки или каймы вокруг первого слоя. Здесь всё интуитивно: вдвое тяжелее — вдвое дороже.

Второй счётчик — время станка. Это время, в течение которого станок занят вашей деталью. Принтер печатает последовательно: пока идёт ваш заказ, он не печатает ничего другого. Это машино-часы, и они не пропорциональны весу. Тонкостенный корпус весом в сто граммов может печататься дольше, чем цельный кубик такого же веса, потому что сопло проходит по контуру много раз на каждом из сотен слоёв, а на заливке идёт длинными непрерывными линиями.

Разница между счётчиками — главная причина, по которой цена «за грамм» плохо предсказывает итог. На мелкой детали материал почти ничего не значит, и вы платите за часы. На массивной заготовке из дорогого материала — наоборот. Расчёт по одному только весу поэтому даёт нижнюю границу: он верен ровно для той геометрии, на которой его составляли.

Обратная сторона второго счётчика для заказчика неприятна: сократить время, не тронув геометрию или требования к поверхности, обычно нельзя. Всё, что дальше, — про то, как эти часы возникают.

Вес детали — это не вес модели

Модель в файле — это оболочка, а не сплошное тело. Что окажется внутри напечатанной детали, решает заполнение: сетка, которая держит верхние слои и передаёт нагрузку между стенками. От её плотности зависит и вес, и время, и прочность, и в этом смысле заполнение — самая недооценённая строка расчёта.

Заполнение. Деталь с редким заполнением почти пустая внутри: пластика уходит мало, печатается быстро, но нагрузку держит хуже и легче продавливается. Плотное заполнение приближает деталь к монолиту — она тяжелее, дольше печатается и стоит заметно больше. Между этими крайностями лежит весь практический диапазон, и выбор внутри него — инженерное решение, а не настройка «по умолчанию».

Стенки. Отдельно считаются периметры, которыми обводится контур на каждом слое. Прочность детали на изгиб и её внешний вид зависят от стенок сильнее, чем от заполнения: нагрузка идёт по оболочке. Поэтому разумная стратегия для нагруженной детали — толще стенки при умеренном заполнении, а не сплошная заливка. Это одновременно дешевле и прочнее, что бывает редко.

Практический вывод для заказчика: если вы называете вес модели, посчитанный как объём тела в CAD, реальный расход будет другим, и почти всегда в меньшую сторону. Наоборот тоже случается — когда деталь требует плотного заполнения по условиям работы.

Поддержки: пластик, который уйдёт в мусор

Печать идёт снизу вверх, слой за слоем, и каждый новый слой должен на что-то опираться. Там, где деталь нависает над пустотой — козырёк, горизонтальное отверстие, вынесенный в сторону кронштейн, — под нависание строится временная опора. После печати её отламывают и выбрасывают.

Поддержки оплачиваются дважды. Первый раз — материалом, который в готовую деталь не попадёт. Второй раз — временем: станок печатает их так же медленно, как саму деталь, а потом человек их снимает и зачищает следы. На геометрии со множеством нависаний поддержки способны съесть больше времени, чем полезное тело.

Третья цена — не денежная. Поверхность, к которой примыкала поддержка, всегда хуже остальных. Она остаётся шероховатой, со следами точек касания, и если это видимая или сопрягаемая поверхность — понадобится доработка.

Уменьшить поддержки чаще всего можно, и это самый доступный заказчику рычаг. Скруглить резкий переход, заменить нависающее отверстие на каплевидное, разбить сложную деталь на две части и склеить после печати, наконец, просто повернуть модель — любое из этих решений может убрать половину опор. Разговор об этом уместен до расчёта, а не после.

Высота слоя: чем платят за гладкую поверхность

Высота слоя — это шаг, с которым деталь набирается по вертикали. Она определяет и качество боковой поверхности, и время печати, причём связь между ними прямая и жёсткая: вдвое тоньше слой — вдвое больше слоёв — примерно вдвое дольше печать.

Что видно глазу. На толстом слое видны горизонтальные полосы, наклонные поверхности получаются ступенчатыми, мелкий рельеф пропадает. На тонком деталь выглядит заметно аккуратнее, но за неё платят часами, и на крупном изделии разница выходит существенной.

Прочности тонкий слой не добавляет. Более тонкий слой не делает деталь прочнее — скорее наоборот, у высоких деталей с большим числом слоёв больше межслойных границ, а именно по ним пластик расходится при нагрузке вдоль оси печати. То есть тонкий слой покупает внешний вид и точность мелких элементов, а не механику.

Отсюда самый частый способ сэкономить, о котором заказчики не думают: если деталь скрыта внутри корпуса или работает как функциональная, требовать от неё гладкости незачем. Мы обычно спрашиваем, какие поверхности будут видны, именно поэтому.

Как деталь стоит на столе

Ориентация модели на столе — решение, которое меняет одновременно цену, прочность и точность, и почти никогда не бывает нейтральным.

Высота в выбранном положении определяет количество слоёв, то есть время. Одну и ту же пластину можно положить плашмя и напечатать за сотню слоёв или поставить на ребро и печатать тысячу. Разница по времени — кратная.

Положение задаёт поддержки. Повёрнутая на сорок пять градусов деталь иногда обходится вовсе без них, а в другом положении обрастает опорами со всех сторон.

Ориентация задаёт направление слоёв, а вместе с ним — направление, в котором деталь слабее всего. Напечатанная деталь анизотропна: поперёк слоёв она держит нагрузку хуже, чем вдоль. Крюк, напечатанный лёжа, и тот же крюк, напечатанный стоя, ломаются при разной нагрузке, хотя файл один и тот же.

Из-за этого ориентация не выбирается только по цене. Если деталь нагружена, положение диктуется механикой, и оно может оказаться не самым быстрым. Это тот случай, когда дешёвый вариант отвергается сознательно, и заказчику лучше знать почему.

Габариты: где деталь переезжает на другой станок

У каждого принтера есть рабочая зона, и деталь либо в неё помещается, либо нет. Это не плавная зависимость, а порог: пока габарит укладывается, цена растёт постепенно; как только не укладывается, включается другой сценарий.

Сценариев два. Либо деталь печатается на более крупной машине — а крупный станок дороже в час, и его загрузка стоит иначе. Либо деталь режется на части, каждая печатается отдельно и потом склеивается — добавляется ручная работа, стыки и риск повести геометрию при сборке.

Поэтому у крупногабаритного заказа цена нередко скачет от небольшого изменения размера: деталь, которая была на десять миллиметров короче, укладывалась в обычную зону, а эта уже нет. Если размер у вас не жёсткий, об этом стоит сказать — иногда правка в пределах допуска меняет стоимость сильнее любых настроек печати.

Есть и обратный эффект. Мелкие детали дешевле поштучно, если печатаются пачкой за один запуск: подготовка станка и первые слои — фиксированные расходы, и они делятся на всю партию.

Материал: разница в цене филамента не равна разнице в цене детали

Материалы отличаются по цене за килограмм заметно — технические полиамиды и композиты с наполнителем стоят кратно дороже базовых пластиков. Но перенести эту разницу напрямую в цену детали нельзя, и вот почему.

Разная плотность. У материалов она отличается: Одна и та же модель, напечатанная разными пластиками, весит по-разному, и умножать «объём × цену за килограмм» без плотности бессмысленно.

Другие условия печати. Сложные материалы требуют их по существу процесса. Пластики, которые сильно усаживаются при остывании, печатают в закрытой камере с подогревом, иначе крупную деталь поведёт или оторвёт от стола. Гигроскопичные материалы вроде полиамида приходится сушить перед печатью и держать в сухом боксе во время неё. Композиты с рубленым волокном изнашивают сопло, и оно расходуется быстрее. Всё это — не наценка за название материала, а реальные условия, без которых деталь просто не получится.

Скорость подачи. Часть материалов печатается медленнее по существу процесса. Эластичный пластик приходится подавать осторожно: он упругий, и на быстрой подаче нить сминается в механизме вместо того, чтобы выдавливаться.

Отсюда правило, полезное при выборе: переплата за технический материал оправдана, когда деталь действительно работает в условиях, где базовый пластик не выживет — трение, многократный изгиб, нагрев, улица, ультрафиолет. Если деталь стоит в помещении и ничего не держит, дорогой материал не купит ей ничего, кроме цены. Мы разбирали это отдельно в статьях про нейлон и про пластики для улицы.

FDM, фотополимер и металл считаются по-разному

Разные технологии печати устроены так, что счётчик времени в них работает по-разному, и это меняет всю логику цены.

FDM — расплавленная нить, которую сопло укладывает линиями. Время зависит от длины пути сопла, то есть от периметра, заполнения и числа слоёв. Мелкая деталь на большом столе печатается быстро, потому что сопло проходит короткий путь. Отсюда всё сказанное выше про заполнение и ориентацию.

Фотополимерная печать (SLA и родственные) засвечивает целый слой разом. Время слоя почти не зависит от того, сколько всего в нём — одна деталь или двадцать: экран засвечивает всю площадь одновременно. Поэтому определяющей становится высота: сколько слоёв, столько и времени. Практическое следствие непривычное — на фотополимере выгодно печатать пачкой в один заход, а высокая деталь дорога даже при малом весе. Дороже там и материал, и постобработка: деталь нужно отмыть от остатков смолы и доотвердить.

Печать металлом (SLM) — отдельный мир по стоимости. Порошок сплавляется лазером в закрытой камере с инертным газом, деталь строится на плите и после печати срезается с неё, поддержки в металле снимаются механически. Здесь дорого всё: сырьё, подготовка запуска, машинное время, съём детали и постобработка. Металлическая печать почти никогда не выигрывает у механической обработки на простой геометрии — её берут тогда, когда деталь иначе не сделать. Подробнее — в статье про SLM, а сравнение самих технологий — в разборе FDM, SLA и SLM.

Что происходит до печати

Печать — не первая операция в заказе, и предшествующая ей работа оплачивается отдельно, потому что это другая работа, с другими часами.

Модель готова. У вас есть файл в STL или STEP, она замкнута, без вывернутых нормалей и самопересечений, размеры в миллиметрах. Тогда подготовка сводится к нарезке на слои и занимает немного.

Модель есть, но её нужно чинить. Файлы из бесплатных библиотек и экспорт из старых пакетов регулярно приходят с дырами в оболочке или нулевой толщиной стенки: такое тело нельзя нарезать, потому что непонятно, где у него внутренняя сторона. Ремонт — ручная работа. Мы разбирали типичные поломки в статье про подготовку модели к печати.

Модели нет вовсе. Есть образец детали, которую нужно повторить, или чертёж, или вообще идея. Тогда сначала идёт моделирование, а если деталь снимается с существующего образца — обмер или 3D-сканирование с последующим построением тела. Это самостоятельный этап, и по стоимости он часто превышает саму печать: смоделировать корпус занимает дни, напечатать — часы. Как устроен этот путь, разобрано в материале про реверс-инжиниринг.

Разница между тремя случаями — самая большая вилка во всём заказе. Именно поэтому первый вопрос при расчёте не «какой материал», а «есть ли модель».

Одна деталь или партия

Разовая печать и серия считаются по разной арифметике, и ожидание кратной скидки за количество оправдывается лишь частично.

Дешевеет подготовка. Модель чинится один раз, ориентация подбирается один раз, режимы отлаживаются один раз. На первой детали эта работа входит в цену целиком, на сотой её доля близка к нулю.

Не дешевеют материал и машинное время. Сто деталей займут станок примерно в сто раз дольше одной — принтер не умеет печатать быстрее оттого, что деталей много. Некоторая экономия появляется на плотной укладке стола и непрерывной работе без пауз между запусками, но она измеряется процентами, а не разами.

Из этого следует практическая граница. На единичных изделиях и малых партиях печать почти всегда выигрывает: не нужна оснастка, нет подготовительного цикла, деталь можно получить сразу. Но по мере роста тиража машинное время накапливается линейно, а литьё, где стоимость формы делится на весь тираж, движется в другую сторону. В какой-то точке они пересекаются, и печать перестаёт быть выгодной. Где именно проходит эта точка, зависит от детали, и считать её нужно на конкретных числах, а не по общему правилу.

Постобработка, приёмка и брак

После того как деталь снята со стола, работа не заканчивается, и часть цены приходится на операции, которые к печати отношения не имеют.

Минимальный набор есть всегда: снять деталь, удалить поддержки, зачистить следы от них и первый слой. Это ручное время, и на детали со сложной геометрией его больше, чем кажется.

Дальше — то, что заказывают отдельно: шлифовка, грунтовка и покраска, склейка составных деталей, нарезание резьбы или установка резьбовых втулок, подгонка присоединительных размеров под ответную деталь. Каждая из этих операций — ручная, и на аккуратно окрашенном корпусе постобработка легко превышает стоимость самой печати. Это нормально и не является признаком завышенной цены: маляр тратит время так же, как станок.

Наконец, брак. Печать — процесс, в котором деталь строится часами и может сорваться на середине: отслоение от стола, засор сопла, скачок в геометрии. Перепечатка оплачивается не заказчиком, но её вероятность заложена в общую экономику работы, и она тем выше, чем сложнее деталь. Отчасти поэтому крупные высокие детали с малой площадью опоры стоят дороже, чем следует из их веса и времени: у них выше риск не доехать до конца.

Как получить цифру по своей детали

Быстрый ориентир по печати пластиком считает калькулятор на сайте: он берёт габариты или объём модели, материал и заполнение и показывает порядок цены. Этого достаточно, чтобы понять, о каком масштабе идёт речь, и стоит ли задача бюджета вообще.

Точная цена считается по модели. Разница между оценкой и расчётом — как раз всё то, что перечислено выше: где встанут поддержки, каким слоем печатать, как деталь ляжет на стол, нужна ли доработка после. По файлу это видно, по описанию словами — нет.

Если модели пока нет, ничего страшного: присылайте чертёж, фотографии образца с линейкой или сам образец. Мы скажем, что из этого можно напечатать сразу, что придётся сначала смоделировать и какой из вариантов дешевле по итогу — иногда деталь проще выточить, и об этом честнее сказать до заказа, чем после.