CC BY
17
УДК 621.389
Абрамов А.А., Цыганков П.Ю.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Абрамов Андрей Александрович, студент 3 курса факультета информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: [email protected];
Цыганков Павел Юрьевич, к.т.н., аспирант 4 курса РХТУ им. Д.И. Менделеева, ведущий инженер Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ им. Д. И. Менделеева;
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Изучены процессы аддитивного и субтративного производства, исследованы достоинства и недостатки каждого метода. Рассмотрены основные этапы получения трехмерных объектов. Изучено устройство 3D-принтеров. Разработан алгоритм модернизации принтера для печати суспензиями на основе углеродных наноматериалов и получения 3D-объектов.
Ключевые слова: аддитивное производство, 3D- печать, углеродные наноматериалы.
STUDYING THE PROCESS OF THREE-DIMENSIONAL PRINTING FOR OBTAINING COMPOSITION MATERIALS
Abramov A.A., Tsygankov P.U.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The processes of additive and subtractive production are studied, the advantages and disadvantages of each method are investigated. The main stages of obtaining three-dimensional objects. A study of the device 3D-printers. An algorithm for upgrading the printer for printing suspensions based on carbon nanomaterials and obtaining 3D-objects has been developed.
Keywords: additive manufacturing, 3D printing, carbon nanomaterials
Техника аддитивного-производства, известная также как трехмерная печать, прочно вошла в нашу жизнь и привлекла огромное внимание не только в промышленности, но и в научных кругах. 3D- печать сейчас широко используется для реализации и изготовления прототипов деталей быстрым и недорогим способом. Данная технология уже была разработана для широкого спектра применений таких как: энергетика, электроника, изготовление инженерных композитов, биотехнологии и микрофлюидики. Среди всех технологий 3D-печати самой распространенной является экструзионная печать, которая представляет собой выдавливания чернил на подложку с последующим их затвердеванием. Экструзионная печать является более универсальным методом по сравнению с другими методами печати такими как: фотополимеризация, технология лазерного спекания и ламинирование. Это обусловлено простотой как самой технологии, так и процесса подготовки чернил и печатающей установки. Еще одной особенностью экструзионной печати является широкий спектр возможных материалов для использования в качестве чернил, таких как металлические сплавы, керамика, полимеры.
Технология трехмерной печати - это процесс, используемый для изготовления трехмерных объектов на основе цифрового управления нанесением последовательных слоев материала для получения окончательной структуры. Процесс трехмерной печати является полной противоположностью процесса субтрактивного
производства, при котором конечные модели создаются путем удаления материала различными методами, например, сверление, фрезерования, распиловка и т.д. Для быстрой разработки прототипов моделей подходят оба метода получения моделей, однако конечный выбор основывается на сложности конечной структуры, используемом материале и конечно же стоимости. Геометрическая сложность объекта представляет собой фактор, который в конечном счёте позволяет выбрать между аддитивным и субтрактивным подходом. Сложные рисунки с несколькими полыми частями могут быть получены только путем аддитивного производства, поскольку эти части печатаются вместе со сплошными частями послойным способом. Для более простых конструкций тип материала играет важную роль. Аддитивное производство обычно используется для производства изделий на основе пластика, в то время как субтративное производство является методом для большинства металлических и деревянных изделий. Субтрактивное производство может быть удобным, если многочисленные копии одной и той же детали должны быть изготовлены в более короткие сроки. Помимо этих различий, важно учитывать, что аддитивное производство может значительно снизить затраты на электроэнергию за счет использования менее энергоемких машин, а также значительно сократить материальные отходы [1].
Основные этапы получения трехмерных изделий с помощью технологии аддитивного производства представлены на рис. 1.
Рис. 1. Этапы получения 3D объектов
ЭБ-печать дает практически неограниченные возможности для получение трехмерных объектов. Поэтому данный подход был рассмотрен для применения во многих областях исследований: машиностроение, медицина и материаловедение до химии. Электрохимия - это еще одна отрасль науки, которая, безусловно, может извлечь выгоду из технологий SD-печати, прокладывая путь для проектирования и изготовления более дешевых, высокопроизводительных и повсеместно доступных электрохимических устройств. Таким образом, в данной работы приведен алгоритм разработки технологии 3Б-печати для получения электрохимических устройств на основе углеродных наноматериалов [2].
На данный момент для получения трехмерных объектов используется следующий алгоритм [3]:
• Процесс печати начинается с разработки виртуальной модели. Для этой цели используется специальное программное обеспечение автоматизированного проектирования - CAD-системы (Autodesk Inventor, Fusion Э60, AutoCAD).
• После разработки CAD - модели ее необходимо преобразовать в файл STL (STereoLithography), в котором информация о поверхностях модели хранится в виде списка координат.
• Следующим шагом является процесс «нарезки», который заключается в последовательном создании 2D- слоев поперечного сечения объекта. Так же на данном этапе задаются параметры процесса печати, а именно толщина слоя, скорость печати, при необходимости добавление поддерживающих конструкций.
• Печать объекта: принтер наносит материал после последовательного упорядочения 2D-слоев, которые строятся один над другим, до тех пор, пока не будет создан нужный 3D-объект.
• Финальная обработка модели.
Процесс 3D - печати чернил на основе углеродных наноматериалов отличается от стандартной технологии получения трехмерных объектов, тем что отсутствует предварительный нагрев экструдера, который позволяет реализовывать процесс экструзии нити. Вязкость
чернил на основе углеродных наноматериалов значительно ниже, чем данная характеристика у материалов, которые используются в технологии экструзионной печати, что не позволяет им поддерживать необходимую форму, попадая на рабочую область. Для устранения этой проблемы необходимо охлаждать рабочую область, с целью обеспечения послойного затвердевания объекта.
Для реализации технологии ЭБ-печати для получения электрохимических устройств на основе углеродных наноматериалов необходимо
модернизировать входящих в него компоненты:
• Расположение на нижней поверхности рабочей области печати системы охлаждающих элементов, в качестве которых будут выступать элементы Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В результате прохождения электрического тока одна сторона охлаждается до отрицательных температур, вторая нагревается, для отвода тепла необходима установка радиатора с системой вентиляторов (рис. 2).
• Для предотвращения конденсации паров и стекания их на область печати, рабочая область будет изолирована, для поддержания отрицательных температур в ее пределах.
• Разработка чернил, которая подразумевает под собой подбор углеродных наноматериалов, растворителя и их концентрации для достижения заданной вязкости, и реализации 3Б-печати.
• Разработка экструдера, разработанного для печати суспензиями. На данный момент разработана CAD- модель прототипа данного экструдера (рис. 3), а также крепления для его расположения на подвижной головке принтера.
• Модернизация существующего программного обеспечения с целью обеспеченья оптимального расхода суспензии.
Рис. 2. Элемент Пельтье
Рис. 3. Модель экструдера для печати суспензий
Разработан алгоритм модернизации технологии ЭБ-печати для получения электрохимических устройств на основе углеродных наноматериалов.
Полученные устройства могут применяться в качестве новых источников накопления и хранения энергия. Данная технология позволяет создавать тела произвольной геометрии, что позволяет упростить производство объектов со сложной внутренней структурой, это может привести к улучшению прочностных свойств полученных изделий. Разработанный алгоритм может быть использован для других применений, в которых необходимо получение структур со сложной геометрией на основе суспензий, например, матриксы для роста клеток.
Список литературы
1. Leigh S. J. et al. A simple, low-cost conductive composite material for 3D printing of electronic sensors //PloS one. - 2012. - Vol. 7. Issue 11. - Pp. e49365 (16).
2. Dung H. T. FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF SUPERCAPACITOR ELECTRODE BY 3D PRINTING //Vietnam Journal of Science and Technology. - 2018. - Vol. 56. - Issue 5.
3. Ambrosi A., Pumera M. 3D-printing technologies for electrochemical applications //Chemical Society Reviews. - 2016. - Vol. 45. - Issue 10. - Pp. 27402755.
