CC BY
0
Tlyasheva Rezeda Rafisovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University,
Zakirnichnaya Marina Mikhailovna, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Ufa, Ufa State Petroleum Technological University
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-557-558
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ ВЛИЯНИЕ НА НАРУШЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ ИЗДЕЛИЙ В ПРОЦЕССЕ АДДИТИВНОГО ПОСТРОЕНИЯ
А.В. Голунов, Л.Г. Варепо, А.С. Голунова, А. С. Щеглов
В статье рассмотрен технологический процесс трехмерной печати. Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на нарушение линейных размеров детали. Ключевую роль в процессе возникновения искажений оказали вспомогательные элементы конструкции - поддержки, выставляемые в ходе подготовки производства. В статье рассмотрены инструменты анализа геометрических искажений, которые доступны в программах для подготовки производства. Таким образом, статья содержит как анализ факторов, искажающих размеры изделия, так и инструменты для анализа этих искажений, и рекомендации по минимизации. Проведен экспериментальный анализ искажений от расположения изделия на рабочем столе при построении аддитивным способом по технологии LCD.
Ключевые слова: трехмерная печать, LCD-технология, фотополимер, искажения.
Технологии быстрого прототипирования, к которым относится трехмерная печать в значительной степени расширили отрасли внедрения. В начале 00-х обширное применение аддитивных технологий было характерно в высокотехнологичных отраслях приборостроения, авиастроения, производство вооружений и космической техники. На момент написания статьи аддитивное производства является актуальной технологией для легкой промышленности (швейное производство и полиграфия), индустрии красоты и др. Т.е. повсеместное применение аддитивных технологий требует от специалистов отраслей интеграции технологий цифрового проектирования и моделирования изделий и технологических процессов. Таким образом, выбор инструментов для проектирования, инженерного анализа и оптимизации конструкции изделия является задачей актуальной, помимо обрабатывающих отраслей промышленности, для широкого спектра отраслей швейной, полиграфической, упаковочной и др. отраслей промышленности.
Процесс подготовки к печати описан в [1,2]. Описаны ключевые этапы и особенности построения изделия. Однако в работах не даны рекомендации по размещению изделий в области построения принтера для трехмерной печати.
Известны работы, [3] в которых проводился анализ влияния геометрии на возникновение искажений в процессе аддитивного производства. Статья предусматривает не только компенсацию линейных размеров модели. Все цифровые способы имеют определенную дискретность, что заложено самой структурой цифрового сигнала,
557
Известия ТулГУ. Технические науки. 2G24. Вып. 1
который должен быть квантован по уровню и пространствено дискретен. Разные способы трехмерной печати имеют разный уровень дискретности, который обусловлен способом формирования изделия.
В работе [4] описана LCD технология трехмерной печати и произведен анализ факторов, определяющих точность построения тест-объекта, для LCD печати также вводится такой фактор влияния на точность построения как вязкость фотополимера, разработан алгоритм подбора параметров для настройки процесса отверждения объектов с использованием LCD-технологии.
Краткая теория. 3D-печать - это процесс объединения материала, с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило слой за слоем, в отличии от вычитающих производственных технологий («Process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies»).
Выделяют 4 основных применения аддитивных технологий:
визуальные макеты;
изготовление оснастки (вспомогательных приспособлений для производства), мастер-моделей для литья и вставок в пресс-формы;
функциональные прототипы;
серийные изделия.
FDM способ печати формирует изделие посредством распределения расплава термопластичного материала через сопло экструдера, соответственно на разрешающую способность принтера работающего по данной технологии будет оказывать влияние диаметр сопла. Наиболее точно будут формироваться изделия, которые имеют размеры пропорциональные размеру сопла в плоскости XOY, тогда как вертикальное разрешение будет определяться толщиной слоя, выставляемой в процессе подготовки производства.
LCD способ печати формирует изделие посредством воздействия излучением коротковолновой частью спектра (чаще 405 нм). Масочный слой формируется за счет применения LCD экрана, который регулирует пропускание излучения от источника ак-тиничного излучения. В этом случае разрешающая способность определяется разрешением LCD экрана и концентрацией фотоинициаторов в составе фотополимерного материала.
Все прочие способы трехмерной печати также имеют разную разрешающую способность, что обуславливается разными структурами построения исполнительных механизмов принтеров для трехмерной печати.
Инструменты и методы. В данной работе для проектирования тестового образца используется САПР Компас 3D, для обеспечения подготовки производства свободно распространяемое ПО ChituBox x64. Базовый материал который использован для построения изделий Phrozen TR300 Ultra-High Temp 3D Printing Resin. твердость по Шорр,А находится на уровне 60-70 ед. Оборудование, на котором производилась печать Phrozen Sonic Mega В K.
Технологические режим варьировался в пределах:
Время засветки: 5 сек;
Толщина слоя: 25 мкм;
Заполнение: 100%.
Форма и размер тестового образца представлены на рис.1 а. Тестовый объект представляет из себя вал-шестерню с длинным и коротким валом, применяемую в датчиках измерения высоты автомобильного подъемника. Габаритные размеры шестерни: 23,32*23,32*35,2 мм.
В качестве количественного параметра, оказывающего влияние на размещение изделия в печатной области, был выбран показатель угла наклона изделия, так как именно он определяет формирование геометрии на значимом участке изделия - на валу. Анализ потенциальных изменений геометрии осуществлялся с помощью программ-
ного обеспечения для подготовки производства СЫшЬох V 1.9.4, которое подсвечивает участки предполагаемых искажений на изделии, как правило которые касаются участков, находящихся под острыми углами к поверхности стола и чем острее этот угол, тем более вероятны искажения, связанные с возникновением утолщений под воздействием силы тяжести рис. 1-в. Поддержки рис.1 б в этом случае позволяют минимизировать отклонения, но в некотором случае и сами являются причиной искажений. Таким образом, полностью исключить дефекты невозможно. Но подбирая угол между столом можно минимизировать область искажений, тем самым оптимизировав построение изделия в требуемом интервале величин отклонений.
в
Рис. 1. Варианты растановки поддержек: а — тестовый образец; б — образец с построенными поддержками; в — анализ области потенциальных искажений
Результаты и их обсуждение. После анализа области потенциальных искажений были изменены угол между валом шестерни и печатным столом в диапазоне описанным в таблице 1с шагом 10 градусов. Осуществлена печать и проанализированы отклонения от эталонного значения диаметра вала в той его части, которая в результате анализа имела наибольшие шансы на искажения. На рисунке 2 представлен образец, имеющий минимальную область возникновения потенциальных искажений.
•у / у/,
Г
Рис. 2. Тестовый образец под углом в 60 градусов к плоскости печатного стола
559
Таблица 1
Результаты измерений диаметра вала в области возникновения потенциальных
искажений
Диаметр вала, мм Угол, °
90 80 70 60 50 40
Большой вал 7,67 7,69 7,69 7,58 7,60 7,53
Малый вал 7,71 7,57 7,51 7,51 7,55 7,51
Выводы и заключение. Таким образом, в ходе работы доказано, что положение в области построения влияет на возникновение искажения линейных размеров, печатаемой детали. Также в статье показаны способы и инструменты оценки искажений. В ходе работы представлены результаты подготовки к печати и результаты анализа отпечатанных трехмерных деталей двух наименований (малый вал и большой вал), в которых искажения в диаметре вала у основания минимальны в углах 40,60 и 70 градусов для детали с малым валом и в интервале 40 -45 градусов для детали с большим валом.
Таким образом, встроенный инструмент анализа искажений не дает количественной оценки размера искажений, однако описывает область искажений, что позволяет вносить изменения в расположение вспомогательных поддержек для минимизации искажения. Для получения оптимального результата рекомендуется перед выполнением печати серийных изделий рекомендуется оценить анализ искажений в ходе тестовой печати с разным (по углу наклона детали) расположением детали на столе.
Список литературы
1. Redwood B The 3D Printing Handbook: Technologies, Design and Applications // Ben Redwood, Filemon Schöffer, Brian Garret // 3D Hubs B.V., 2017. 289 p.
2. Валетов В. А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы). Учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 63 с.
3. Попок Н.Н. Система поддержки принятия решений по базированию моделей деталей машин в рабочей зоне 3D-принтеров / Н. Н. Попок, Н. В. Беляков, Д. А. Яснев // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2022. № 3. С. 9-20.
4. Чередниченко Н.И. Определение зависимости параметров трехмерной печати от композиции фотополимерного материала / Н. И. Чередниченко, П. А. Петров // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2022. Т. 9, № 1. С. 3-8.
5. Голунов А.В. Адаптация технологии 3d-печати и методов топологической оптимизации для изготовления зажима трафаретной формы / А.В. Голунов, С.А. Щеглов, Л.Г. Варепо, А.С. Голунова, О.В. Трапезникова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Выпуск 8. С. 490-497.
Голунов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Голунова Алина Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Щеглов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
560
ANALYSIS OF THE FACTORS INFLUENCING THE VIOLATION OF THE GEOMETRY OF PRODUCTS IN THE PROCESS OF ADDITIVE CONSTRUCTION
A.V. Golunov, L.G. Varepo, A.S. Golunova, S.A. Shcheglov,
The article discusses the technological process of three-dimensional printing. The factors influencing the violation of the linear dimensions of the part are considered. The key role in the process of distortion was played by auxiliary structural elements - supports exposed during pre-production. The article discusses the tools for analyzing geometric distortions that are available in pre-production programs. Thus, the article contains both an analysis of the factors that distort the dimensions of the product, as well as tools for analyzing these distortions, and recommendations for minimizing them. An experimental analysis of distortions from the location of the product on the desktop was carried out when building using an additive method using LCD technology.
Key words: three-dimensional printing, LCD technology, photopolymer, distortion.
Golunov Alexander Vladimirovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Golunova Alina Sergeevna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Shcheglov Sergei Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University
