АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ 3D-ПЕЧАТИ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.7

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ

3D-ПЕЧАТИ

Скороходов Дмитрий Михайлович, кандидат технических наук,

старший преподаватель, Бабчеко Алена Юрьевна, студент; ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация

Аннотация: В статье рассмотрены основные технологии 3D-печати применяемые для создания макетов, прототипов, опытных образцов, пред серийных изделий. Рассмотрены сферы применения данных технологий в различных отраслях промышленности. Описаны основные преимуществами и недостатки каждой из рассмотренных методов 3D-печати

Ключевые слова: трёхмерное моделирование; 3D-печать; 3D-принтер; аддитивные технологии; CAD-модель; прототипирование; макетирование.

ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL CAPABILITIES OF VARIOUS 3D PRINTING

METHODS

Skorohodov Dmitrij Mihajlovich, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecture,

Babcheko Alena Yur'evna, student; Timiryazev Russian State Agrarian University, Moscow, Russia

Abstract: The article discusses the main 3D printing technologies used to create layouts, prototypes, prototypes, and pre-production products. The scope of application of these technologies in various industries is considered. The main advantages and disadvantages of each of the considered methods of 3D printing are described.

Keywords: three-dimensional modeling; 3D printing; 3D printer; additive technologies; CAD model; prototyping; prototyping.

Для цитирования: Скороходов, Д. М. Анализ технологических возможностей различных методов 3D-ne-чати / Д. М. Скороходов, А. Ю. Бабчеко. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2020. - № 12 (52). - С. 22-27. - URL: https://nauka-bez-gramcru/№-12-52-2020/12-52-2020/

For citation: Skorohodov D.M., Babcheko A.Yu. Analysis of technological capabilities of various 3D printing methods // Scince without borders, 2020, no. 12 (52), pp. 22-27.

Технологии 3D-печати становятся популярнее с каждым годом. Это объясняется тем, что они имеют множество преимуществ (сравнительно с другими видами производства) - начиная с уменьшения стоимости единицы производимого образца и заканчивая невероятной скоростью и точностью печати. В наибольшей степени данный вид производства применяется для

изготовления прототипов, макетов, опытных и предсерийных образцов.

Прототипирование - это обязательный этап в процессе разработки любого нового изделия. Прототип нужен для проверки планируемого конечного продукта на соответствие требуемым стандартам. Он позволяет оценить будущее изделие на практике и при необходимости отправить на до-

работку. Это существенно сокращает расходы и объём работы [1].

Для создания любого объекта с помощью 3D-печати необходимо иметь его компьютерную CAD-модель, разработанную при помощи современных компьютерных программ, таких как AutoCAD, Компас^, SOLIDWORKS и других [2].

На сегодняшний день технологии 3D-печати чаще всего применяется в дизайне; создании игрушек и детских товаров; в строительстве; в легкой промышленности; в ювелирном деле; в архитектурном моделировании; в электронной промышленности; в медицине (чаще в стоматологии и че-люстно-лицевой хирургии); в машиностроении; в сельском хозяйстве [3].

Технология, при которой происходит трехмерная печать, предполагает использование разного вида материалов. Отталкиваясь от назначения предполагаемого прототипа, специалист решает, какой материал выбрать. Кроме этого, специалист также учитывает пожелания клиента и то, какими качествами должно обладать бедующее изделие. Чаще всего при 3D-печати применяются такие материалы, как нейлоновый порошок; фотополимер, имеющий жидкое состояние и застывающий под ультрафиолетовой лампой, а также различные термопластики.

К основным достоинствам прото-типирования с помощью 3D-печати можно отнести:

- Скорость производства. Применение 3D-принтеров в различных отраслях промышленности позволяет в 1015 раз сократить время производства изделий относительно традиционных методов (точение, фрезеровка, литье и т.д.) [4];

- Стоимость производства. Прото-типирование единичных и мелкосерийных изделий методом аддитивного производства является более выгодным в сравнении с технологиями тиражирования изделий в массы, для которых необходимо подготавливать дорогостоящую оснастку [5]. Кроме того, невысокая стоимость конечного изделия позволяет делать сразу несколько вариантов дизайна/конструкции одного изделия для тестирования и при необходимости внесения правок перед запуском в производство;

- Проверка собираемости. Изготовленный макет, прототип, образец можно изучить и проверить на собираемость, оценить визуально его внешний вид с эстетической точки зрения и т.д.;

- Проведение маркетинговых исследований. Изделие, прототип, образец

- это отличная возможность изучить и проанализировать мнение целевой аудитории о новом продукте перед выходом на рынок.

Рассмотрим основные технологии 3D печати:

- Моделирование объекта методом послойного наложения расплавленной полимерной нити/ Fused Filament Fabrication (FFF);

- Лазерная стереолитография/ Stereolithography (SLA);

- Селективное лазерное спекание порошковых компонентов/ Selective Laser Sintering (SLS).

Fused Filament Fabrication (FFF)

- моделирование объекта методом послойного наложения расплавленной полимерной нити (рис. 1). Во время использования этой технологии 3D-принтер работает напрямую от катушек с пластиком, из которых подается материал для создания из-

делил. Принцип работы 3D-принте-ра по технологии FFF заключается в нанесении расплавленной пластиковой нити слой за слоем по заданной команде G-кода. По завершению процесса построения дополнительные

конструкции (поддержки) убираются вручную или с применением химической или механической обработок. После чего изделие может быть использовано и применимо для дальнейших нужд.

Рисунок 1 - Fused Filament Fabrication (FFF) - моделирование объекта методом послойного наложения расплавленной полимерной нити

К основным достоинствам можно отнести: доступность расходных материалов (термопластик, композиционный материал) [6]; достаточно большой выбор цветовой палитры материалов; отлаженные технологические режимы производства.

Stereolithography (SLA) - лазерная стереолитография (рис. 2). Принцип работы данного методом 3D-печати заключается в послойном отверждении жидкого материала (фотополимер) под воздействием луча лазера со строго определенной длинной волны (обычно это 405 нм). В результате чего жидкий пластик кристаллизуется и формирует бедующее изделие.

Фотополимер - это жидкое вещество, агрегатное состояние которого

изменяется под воздействиями ультрафиолетовых лучей определенной волны.

Основными достоинствами этой технологии являются: точность, минимальный процент возникновения различных типов сбоев (отлипание от платформы, сбой работы лазера, дела-минация первых слоев).

К минусам данного метода относятся: высокая стоимость, невысокая физическая прочность готового изделия, трудности с пост-обработкой изделий.

Selective Laser Sintering (SLS) - селективное лазерное спекание порошковых компонентов (рис. 3). Технологический процесс изготовления модели по принципу работы принципиально похож на SLA. Ключевым отличием

Лазер

Механизм опускания Ванна с жидким попиыером

Модель из отверк^е и ного по п им ера' /

Опускаемое оснований

Система сканирования Луч

Слой ОТВ^р'+'данного полимера

Датчик топщииы слоя

Рисунок 2 - Stereolithography (SLA) - лазерная стереолитография

^WVLHfiyHJlLlVie- МИН Jh1

МэрМниййППь nopoül«

Падана nopouim

ПйДйи-оюв >11« jIJW-Ч. пвдэчн горшка

зеркало

Псршинь

Псдои*>кж дно paöcM.i1 "cru

Поршень

Рисунок 3 - Selective Laser Sintering (SLS) - селективное лазерное спекание

порошковых компонентов

можно назвать отсутствие самостоятельного распределения порошка по всей области построения. Поэтому для этого используют специальный валик, который равномерно распределяет порошок по всей поверхности.

Процесс изготовления прототипов по технологии SLS включает в себя следующие этапы: камера с порошком, как и вся область построения, прогревается до необходимой температуры под каждый вид полимера, с помощью валика происходит выравнивание поверхности по полю построения;

лазер спекает частицы порошка по заданному G-коду; в заключении рабочее поле опускается максимально вниз, происходит остывание области создания прототипа и его извлечение

[7, 8].

Для финишной очистки изделия используют щётки и воздушный поток из компрессора. Остаточный порошок используют в определенной пропорции с первичным для создания последующих прототипов. В результате чего можно сделать вывод, что данное производство материала можно

считать безотходным.

Следует отметить, что технологии 3D-печати совершенствуются и становятся более доступными для использования в средней и малой промыш-

ленности, тем самым обеспечивая экономию времени и средств на изготовление прототипов новой продукции в различных сферах производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Краснящих, К. А. Применение быстрого прототипирования в АПК на примере опор скольжения / К. А. Краснящих, А. С. Свиридов. - Текст : непосредственный // Наука без границ. - 2018. - № 2 (19). - С. 51-55.

2. Дорохов, А. С. Компьютерное проектирование в системе AUTOCAD / А. С. Дорохов, Ю. В. Катаев, К. А. Краснящих, Г. М. Вялых // Москва, 2016. - Текст : непосредственный

3. Свиридов, А. С. Топологическая оптимизация деталей сельскохозяйственной техники / А. С. Свиридов, К. А. Краснящих. - Текст : непосредственный // Технический сервис машин. - 2019. - № 3 (136). - С. 68-72.

4. Свиридов, А. С. Использование цифровой 3Э-фермы в ремонтном производстве сельскохозяйственной техники / А. С. Свиридов, С. П. Тужилин, Ю. А. Лопатина. - Текст : непосредственный // Технический сервис машин. - 2019. - № 1 (134). -С. 93-99.

5. Тужилин, С. П. Переработка полимерных материалов методом свободного литья в вакууме / С. П. Тужилин, Ю. А. Лопатина, А. С. Свиридов. - Текст : непосредственный // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2020. - № 7. - С. 93-100.

6. Свиридов, А. С. Обоснование условий хранения термопластиков / А. С. Свиридов, К. А. Краснящих. - Текст : непосредственный // Наука без границ. - 2018. - № 5 (22). - С. 69-72.

7. Дорохов, А. С. Выполнение чертежей с использованием системы «Компас-3Э» / А. С. Дорохов, Е. Л. Чепурина, К. А. Краснящих, Ю. В. Катаев, Г. М. Вялых // М.: Изд-во РГАУ-МСХА. - 2016. - 76 с. - Текст : непосредственный

8. Ерохин, М. Н. Проблемы изготовления и ремонта машин АПК с позиции принципа 5М / М. Н. Ерохин, Ю. В. Катаев, Ю. Г. Вергазова. - Текст : непосредственный // В сборнике: Всероссийская научно-техническая конференция «Отечественный и зарубежный опыт обеспечения качества в машиностроении». Сборник докладов. 2019. - С. 158-161.

REFERENCES

1. Krasnyashchih K.A., Sviridov A.S.Primenenie bystrogo prototipirovaniya v APK na primere opor skol'zheniya [Application of rapid prototyping in the agroindustrial complex on the example of sliding supports]. Sciences without borders, 2018, no. 2 (19), pp. 51-55.

2. Dorohov A.S., Kataev Yu.V., Krasnyashchih K.A., Vyalyh G.M. Komp'yuternoe proektirovanie v sisteme AUTOCAD [Computer-aided design in the AUTOCAD system]. Moscow, 2016.

3. Sviridov A.S., Krasnyashchih K.A. Topologicheskaya optimizaciya detalej sel'skohozyajstvennoj tekhniki [Topological optimization of agricultural machinery parts]. Tekhnicheskij servis mashin, 2019, no. 3 (136), pp. 68-72.

4. Sviridov A.S., Tuzhilin S.P., Lopatina Yu.A. Ispol'zovanie cifrovoj 3D-fermy v remontnom

proizvodstve sel'skohozyajstvennoj tekhniki [Using a digital 3D farm in the repair production of agricultural machinery]. Tekhnicheskij servis mashin, 2019, no. 1 (134), pp. 93-99.

5. Tuzhilin S.P., Lopatina Yu.A., Sviridov A.S. Pererabotka polimernyh materialov metodom svobodnogo lit'ya v vakuume [Processing of polymer materials by method of free casting in vacuum]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova, 2020, no. 7, pp. 93-100.

6. Sviridov A.S., Krasnyashchih K.A. Obosnovanie uslovij hraneniya termoplastikov [Justification of storage conditions for thermoplastics].Sciences without borders, 2018, no. 5 (22), pp. 69-72.

7. Dorohov A.S., Chepurina E.L., Krasnyashchih K.A., Kataev Yu.V., Vyalyh G.M. Vypolnenie chertezhej s ispol'zovaniem sistemy «Kompas-3D» [Execution of drawings using the «Compass-3D »]. Moscow, Izd-vo RGAU-MSHA. - 2016. - 76 s.

8. Erohin M.N., Kataev Yu.V., Vergazova Yu.G. Problemy izgotovleniya i remonta mashin APK s pozicii principa 5M [Problems of manufacturing and repair of agricultural machinery from the standpoint of the principle of 5M]. V sbornike: Vserossijskaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya «Otechestvennyj i zarubezhnyj opyt obespecheniya kachestva v mashinostroenii». Sbornik dokladov, 2019, pp. 158-161.

Материал поступил в редакцию 08.12.2020 © Скороходов Д.М., Бабчеко А.Ю., 2020