CC BY
19
УДК 681.65
Абрамов А.А., Цыганков П.Ю., Меньшутина Н.В.
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Абрамов Андрей Александрович, студент 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, e-mail: druci@,mail.ru;
Цыганков Павел Юрьевич, к.т.н., ведущий инженер международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий;
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., профессор кафедры кибернетики химико-технологических процессов управления, руководитель международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий;
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Изучены технологии формирования трехмерных объектов с использованием полимеров. Технология прямой чернильной печати рассматривается как один из способов получения трехмерных объектов с использованием вязких материалов. Произведена модернизация коммерческого 3D принтера с целью реализации процесса трехмерной печати гелевыми материалами. Для модернизированного устройства подобран состав чернил, обладающий подходящими реологическими свойствами. Произведена трехмерная печать гелевыми материалами.
Ключевые слова: аддитивное производство, 3D- печать, гелевые материалы, прямая чернильная печать.
STUDYING METHODS AND TECHNOLOGIES OF 3D PRINTING FOR OBTAINING HIGHLY-POROUS MATERIALS
Abramov A.A., Tsygankov P.U., Menshutina N.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The technology of forming three-dimensional object using polymers are studied. Direct ink writing is considered as one of the ways to obtain three-dimensional objects using viscous materials. The commercial 3D printer was modernized to implement the process of three-dimensional printing with gel materials. An ink composition having suitable rheological properties has been selected for the upgraded device. The three-dimensional printing using gel materials is made.
Keywords: additive manufacturing, 3D printing, gel material, direct ink writing
3D печать является одним из способов получения трехмерных объектов со сложной геометрией путем послойного нанесения материала. Данный способ обеспечивает уменьшение отходов при производстве, в отличие от традиционных способов формования, которые подразумевают удаление лишнего материала [1].
Трехмерная печать является
быстроразвивающейся отраслью, что обуславливает ее применение во многих сферах человеческой деятельности: архитектуре, строительстве, медицине, фармацевтике и так далее. На сегодняшний день существует огромное разнообразие методов и технологий трехмерной печати, которые классифицируются в зависимости от исходных материалов и способов воздействия на них. Однако, наиболее востребованными являются технологии послойного наплавления [2] и стериолитографии [3]. Востребованность описанных технологий обусловлена их простотой, большим выбор материалов, скоростью процесса и наименьшим количеством дефектов у получаемых изделий, по сравнению с другими технологиями.
Технология послойного наплавления (Рис. 1) предполагает использования термопластичных
полимеров таких как: ПЛА (полилактид), АБС (акрилонитрил бутадиен стирол), нейлон и другие. Во время процесса трехмерной печати выбранный материал подается в экструдер-устройство, предназначенное для послойного формирования изделия. В экструдере располагается нагревательный элемент, который позволяет нагреть материал до температуры плавления и обеспечить беспрепятственное нанесение на поверхность рабочей области. Экструдер перемещается по контуру модели, формируя слои до тех пор, пока не будет сформирована заданная геометрия изделия. Основным недостатком, рассматриваемой технологии, является невысокая скорость печати.
Разработанная Чарльзом Халлом технология стериолитографии (Рис. 2), в отличие от послойного наплавления характеризуется высокой скоростью печати и качеством получаемых изделий. Однако, данная технология может использовать только полимеры, которые подвергаются отверждению под действие определенного излучения, что ограничивает выбор материалов. Во время процесса печати источник излучения перемещается в соответствие с контуром цифровой модели по емкости с фотоактивным полимером. Данный
процесс инициирует реакцию фотополимеризации и обуславливает отверждение полимера в заданных областях. После завершения слоя происходит перемещение рабочей поверхности на величину толщины слоя и процесс повторяется. Данные операции повторяются до полного формирования геометрии изделия.
Существенным недостатком перечисленных методов является ограниченный набор применяемых материалов. Поэтому в настоящее время исследуются новые материалы и технологии для реализации процесса трехмерной печати, что позволит существенно расширить область применения аддитивных технологий. Одним из наиболее перспективных методов получения новых материалов с использованием процессов трехмерной печати является прямая чернильная печать [4].
фипамент
филамент. выдавленный через сопло
Рис. 1. Реализация технологии послойного наплавления
Рис. 2. Реализация технологии стериолитографии
Метод прямой чернильной печати позволяет получать мезо- и микроструктуры с использованием экструзии. Не смотря на кажущуюся схожесть с технологией послойного наплавления, метод прямой чернильной печати (Рис.3) подразумевает использование вязких материалов, а не термопластичных полимеров. После нанесения на поверхность рабочей области происходит их отверждение за счет испарения, гелеобразования, реакций, вызванных растворителем, или других процессов, что приводит к формированию устойчивой трехмерной структуры.
Рис.3. Реализация метода прямой чернильной печати
В настоящий момент существуют большое разнообразие материалов для реализации данной технологии:
• коллоидные материалы
• материалы с наполнителем из наночастиц
• органические материалы с летучей средой
• полиэлектролитные материалы
• золь-гель материалы
Как и другие технологии трехмерной печати, прямая чернильная печать имеет свои недостатки, одним из которых является сложность выбора состава материалов для печати. Это обусловлено тем, что они должны обладать определенными реологическими свойствами, обеспечивать беспрепятственное прохождение через устройство экструзии и сохранять форму после осаждения на поверхность рабочей области. Таким образом, разработка новых материалов для печати является актуальной задачей, в том числе разработка состава чернил для получения высокопористых материалов, таких как аэрогель.
Устройство 3D принтера, реализующего данную технологию, оснащается насосом или шприцом, для обеспечения проталкивания вязкого материала через сопло для нанесения на поверхность рабочей области. Основными отличиями в устройствах печати являются: конструкция сопла, конструкция продавливающего устройства, а также система управления движением печатающего элемента.
Форма и диаметр сопла определяет толщину продавливаемого материала, что влияет на качество получаемого изделия и на тип материала для печати (т.е. его вязкость, наличие наноматериалов). Конструкция продавливающего устройства определяет возможность контроля объемного расхода материала, точность подачи, а также скорость, с которой может происходить процесс получения трехмерных объектов. Система управления движением является определяющим параметром при выборе материала печати, скорости ведения процесса, точности получаемого изделия и максимальных размеров изделия.
Рассмотренные факторы оказывают
значительное влияние на стоимость устройства печати и производительность технологии прямой чернильной печати. Разработка устройства, реализующего данную технологию также является актуальной задачей для минимизации стоимости и увеличения производительности технологии прямой чернильной печати.
В данной работе произведена разработка и модернизация конструкции 3D принтера для реализации метода прямой чернильной печати. В рамках данного метода был подобран состав вязких материалов на основе альгината натрия и произведен процесс трехмерной печати с их использованием.
Формирование трехмерных объектов с помощью разработанной конструкции 3D принтера и подобранного состава материала состоит из нескольких этапов. Первым этапом является формирование трехмерных моделей в среде автоматизированного проектирования Autodesk Inventor 2019. После чего следует этап преобразования трехмерной модели в специальном программном обеспечение- слайсере. В качестве данного программного продукта выступает программа RepetierHost. Ее функционал позволяет производить точную настройку процесса печати, а именно скорости формирования слоя, его толщину, а также материала для печати. Заключительным этапом является трехмерная печать разработанных моделей. Процесс печати проводится при скорости перемещения печатающего устройства 7 мм/с, температура рабочей области 20°С, экструдера 25 °С. Объемный расход гелевого материала составил 275 мм3/с. Результат печати представлен на рисунке 4.
После окончания процесса печати полученные образцы помещаются в раствор 1 масс.% CaCl2 для завершения этапов формирования твердой трехмерной структуры. Полученные материалы могут найти применение в электронике,
медицине, а также как один из способов доставки лекарственных препаратов.
Рис. 4. Материалы, полученные с использованием процесса трехмерной печати
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, FSSM-2020-0003.
Список литературы
1. Ivanova O., Williams C., Campbell T. Additive manufacturing (AM) and nanotechnology: promises and challenges // Rapid Prototyping Journal. - 2013. - vol. 19, № 5. - pp. 353-364.
2. Dudek P. FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements // Archives of Metallurgy and Materials. - 2013. - vol. 58, № 4. - pp. 1415-1418.
3. Hull C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography // Book Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography / EditorGoogle Patents, 1986.
4. Mortara L., Hughes J., Ramsundar P. S., Livesey F., Probert D. R. Proposed classification scheme for direct writing technologies // Rapid Prototyping Journal. -2009.
