Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 1 Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2015. — № 3. — С. 14 — 22.

5. Марогулова, Н. Н. Расходные материалы для офсетной печати / Н. Н. Марогулова, С. И. Стефанов. — М. : Русский университет, 2002. — 240 с.

6. Элдред, Н. Что полиграфист должен знать о красках / Н. Элдред. - М. : ПРИНТ-МЕДИА центр, 2005. - 238 с.

7. Boonkuernoor, N. A Study to determine the relationship between emulsification and tack of offset lithographic inks // Naruchart Boonkuernoon. — Rochester Institute of Technology : RIT Scolar Works, 1994. — 147 p.

ВАРЕПО Лариса Григорьевна, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета. БРАЖНИКОВ Андрей Юрьевич, начальник печатного центра ООО «Омскбланкиздат». Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 14.01.2016 г. © Л. Г. Варепо, А. Ю. Бражников

УДК 621.762.04:004.356.2-023.5

С. Н. ЛИТУНОВ В. С. СЛОБОДЕНЮК Д. В. МЕЛЬНИКОВ

Омский государственный технический университет

ОБЗОР И АНАЛИЗ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Часть 1

Рассмотрены различные способы и устройства 3D-печати. Предложена конструкция печатной головки 3D-принтера, использующая принцип струйной печати. Головка позволяет использовать для печати высоковязкие материалы. Проведен сравнительный анализ 3D-технологий. Сделаны прогнозы о направлениях развития аддитивных технологий.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, 3D-технологии.

В глобальной сети Интернет находится большое количество информационного материала, касающегося 3Б-печати. Неудобство для конечного читателя заключается в том, что материал «разбросан» по многим ресурсам, плохо структурирован, не всегда удается отличить, где вымысел, а где предоставлены достоверные данные. Мы постарались структурировать основную известную нам информацию по существующим 3Б-технологиям и изложить её в удобной форме.

Под аддитивными принято понимать группу технологий, которые позволяют изготавливать различные изделия за счет послойного нанесения жидкого (или разжиженного) исходного материала на будущее изделие, расположенное на специальном столе, посредством перемещения специальной головки в горизонтальной плоскости. После нанесения очередного слоя стол опускается на величину, равную толщине наносимого слоя. Движение головки и стола задается алгоритмом, разработанным заранее с помощью специального программного обеспечения, и реализуется шаговыми двигателями. После нанесения очередного слоя материал теряет текучесть, становится твердым под действием химических реакций или вследствие остывания. В настоящее время аддитивные технологии представлены несколькими способами печати, которые различаются исходным материалом и принципом его нанесения [1].

Другими, и более распространенными, названиями аддитивных технологий являются 3Б-технология и 3Б-печать (D — Dimension, размер (англ.)). Последнее название возникло из аналогии с печатью

изображений на плоских материалах (бумаге, пленке) с помощью струйного принтера. Иногда струйную печать называют 2Б-печатью.

Схожесть 2Б- и ЭБ-печати обусловлена также тем, что нанесение слоя исходного материала происходит посредством головки, которую называют печатающей головкой. Конструкция печатающей головки зависит от исходного материала и метода его нанесения. Как и печать на бумаге, струйная и ЭБ-печать относятся к так называемым цифровым технологиям и обладают следующими общими преимуществами:

— малыми финансовыми и временными затратами на подготовку производства;

— относительно невысокой ценой и высокой скоростью изготовления заказа, состоящего из нескольких изделий;

— возможностью изготовления партии изделий с существенными, вплоть до полного несовпадения, отличиями между соседними образцами.

В то же время этим технологиям присущи и некоторые недостатки, среди которых можно отметить:

— незначительную зависимость цены одного изделия от количества изделий в партии;

— значительные затраты времени при изготовлении заказа, состоящего из большого количества изделий;

— потеря преимуществ во времени по сравнению с традиционными технологиями при использовании послепечатной обработки изделий;

— ограниченный перечень исходных материалов, применяемых при печати;

Рис. 1. Применение поддержек структур при изготовлении изделия FDM-методом: слева — изделие с поддержками, справа — готовое изделие

— ограничения по прочностным характеристикам изделий.

Нужно отметить, что ЭБ-печать, в отличие от 2Б-печати, обладает возможностью изготовления изделий, которые невозможно изготовить при использовании классических технологий. Так, на ЭБ-принтере можно изготовить детали с закрытыми полостями, которые изготавливают за один технологический цикл. В качестве примера можно привести имплантат кости животного или человека.

Изделия, получаемые с помощью ЭБ-технологий, можно разделить на две основные группы: изделия-макеты и изделия конечного потребления. К первым относятся макеты зданий, деталей, узлов. Их используют в качестве презентационных материалов, для оценки внешнего вида и функциональности, проверки взаимодействия отдельных деталей в узле т.п. Ко второй группе относятся изделия, готовые к применению, иногда после дополнительной обработки: втулки, валы, детали декора и т.п. Во многих случаях наибольший экономический эффект от применения ЭБ-печати достигается при производстве изделий конечного потребления.

В некоторых способах ЭБ-печати необходимо использование поддержек (элементов, которые служат для поддержания частей изделия, нависающих под углом более 23 0С (рис. 1)). Поддержки могут быть изготовлены как из материала основного изделия, так и другого, более дешевого материала [2]. Для экономии материала внутренность поддержек не сплошная, а в виде пространственной решетки. Программы, в которых проектируется изделие, содержат библиотеки таких решеток. В некоторых

случаях поддержки представляют собой довольно сложные конструкции (рис. 2), что требует от конструктора дополнительных знаний и навыков. Кроме того, при изготовлении сложных изделий с поддержками неизбежны ошибки, которые выявляются в процессе печати и исправляются при повторном изготовлении. Также нужно учитывать повышенный расход исходного материала на изготовление поддержек. Как правило, отрезанные поддержки выбрасывают, так как их сбор и переработка повсеместно не налажены.

После окончания печати бывает трудно отличить основное изделие от поддержек. Для того чтобы отличить поддержки, применяют материал другого цвета (при механической обрезке) или материалы, растворимые в специальном составе. В случае применения другого материала для поддержек необходимо устройство с двумя печатающими головками, что увеличивает стоимость оборудования.

Среди основных 3Б-технологий, имеющихся сегодня на рынке, можно выделить следующие.

Способ послойного наплавления (Fused Deposition Modeling, FDM-метод). Эта технология появилась в конце 1980-х годов. Ее автор Скот Крамп (Scott Crump) позже запатентовал ее [3] и основал компанию Stratasys. Исходный материал представляет собой пластиковый пруток (рис. 3), обычно диаметром 1—3 мм, поставляемый в катушках [4]. Поставщики предлагают разные цвета и оттенки исходного материала. Кроме того, пруток нужного цвета могут изготовить по индивидуальному заказу.

Пруток с помощью направляющих роликов или винтов подается в печатающую головку

о

го

Рис. 4. Сопло печатающей головки

Рис. 5. Принципиальная схема печатающего 3D-устройства по FDM-методу

и пропускается через специальное сопло (рис. 4). Головка нагревает материал и подает его на изделие. Электронная система регулирует подачу материала и управляет движением головки и стола. Алгоритм управления печатающей головкой должен предусматривать наплавление слоя полимера безотрывно, что создает некоторые ограничения при изготовлении изделий с закрытыми полостями.

Схематично печатающее устройство, в котором реализован ББМ-метод, показано на рис. 5.

Толщина слоя регулируется скоростью вращения подающих роликов. После нанесения пластик остывает и затвердевает. В качестве исходного материала используют как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными требованиями к таким полимерам являются низкая температура плавления и высокие механические свойства. Для ЭБ-печати ББМ-методом применяют АББ-пластик, поликарбонат, полиметакрилат, поли-капролактон, полифенилсульфон, полиамиды, полистирол, лигнин, парафиноподобные соединения и другие [5]. Свойства перечисленных материалов отличаются друг от друга, поэтому выбор исходного материала зависит от требований к конечному изделию. В целом же для большинства изделий, по совокупности характеристик, более всего подходит и наиболее часто применяется АББ-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол). Он обладает высокими прочностными характеристиками, устойчив к растворам щелочей кислот, спиртов. Температура размягчения АББ-пластика составляет 100 0С, что достаточно для того, чтобы избежать тепловой деформации детали, работающей в обычных условиях. Температура плавления АББ-пластика (210 — 245 0С) в печатающей головке легко достижима. Текучесть расплава такова, что минимальная толщина наносимого слоя составляет не менее 50—100 мкм. Этот материал легко поддается механической и химической обработке. В последнем случае при обработке растворителем (например, ацетоном) АББ-пластик склеивается с образованием монолитной структуры [6], что бывает необходимо при соединении нескольких разных деталей.

Преимуществами ББМ-технологии являются:

— относительная простота процесса и доступность оборудования. В глобальной сети существует проект ЯерЯар, который предоставляет в открытом доступе все схемы и комплектующие, позволяющие собрать принтер самостоятельно.

— невысокая цена производства. Исходные материалы относительно недороги и доступны. При наличии небольшого экструдера несложно наладить изготовление прутка;

— большой выбор исходных материалов. На рынке представлено множество цветов и оттенков ABS-пластика и других подходящих для этого метода материалов.

К недостаткам можно отнести:

— необходимость использования поддержек;

— необходимость дополнительной обработки после окончания печати (удаление поддержек, механическая обработка);

— ограниченная возможность изготовления нескольких изделий одновременно на одном устройстве, поскольку головка наносит каждый слой полимера безотрывно.

На рис. 6 представлены образцы макетов, изготовленных по технологии FDM [7].

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS-метод). Этот способ был разработан Карлом Декартом (Carl Deckard) в Университете Остина (США) и запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation [8]. В качестве исходных материалов используют порошки, состоящие из частиц пластика, керамики, стекла, металла. Частицы порошка покрывают слоем полимера, обеспечивающим возможность спекания.

Перед началом печати, рабочую камеру и порошок необходимо предварительно прогреть до равномерной температуры. Это позволяет избежать температурных перепадов в процессе печати. Порошок при помощи разравнивателя (валика или пластины) распределяется равномерным слоем по всей площади, предназначенной для печати. После этого лазер запекает только те участки порошка, которые соответствуют сечению модели на этом слое (рис. 7) [9]. В случае, когда используется металлический порошок, после печати объекта, проводят его окончательное спекание в термопечи. Это необходимо для того, чтобы снять возникшие в процессе печати внутренние напряжения и удалить остатки полимера из изделия и придать ему монолитную структуру.

Процесс запекания варьируется по температуре (задается мощностью лазера) и длительности (задается программой управления лазером).

Минимальная толщина запекаемого слоя составляет 0,1—0,15 мм, а вертикальная скорость печати —

Рис. 7. Принципиальная схема работы устройства по SLS-методу

Рис. 8. Образование шариков при плавлении металла (сфероидизация)

до 35 мм/час. Преимуществами SLS-технологии являются:

— отсутствие необходимости в поддержках, так как окружающий порошок не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена;

— широкие возможности получения изделий конечного применения за счет таких материалов, как металлический или керамический порошок;

— низкие напряжения и деформации в создаваемых объектах;

— возможность повторного использования не оплавленного порошка;

— возможность изготовления нескольких изделий одновременно в рабочей камере;

К недостаткам относятся:

— меньшая доступность способа за счет более высокой сложности и стоимости оборудования и исходного материала;

— высокие затраты энергии и времени на предварительный подогрев порошка и рабочей камеры;

— шероховатость получаемой поверхности изделия (в пределах Ra 6,3—12,5 мкм), что в некоторых случаях требует дополнительной механической обработки.

Данный способ позволяет расширить ассортимент изделий конечного применения.

Выборочное тепловое спекание (Selective Heat Sintering, SHS-способ). Впервые было представлено компанией BluePrinter ApS в 2011 году на выставке

Euromold как альтернатива технологии SLS. Этот способ схож с SLS-способом и является его менее дорогим аналогом. Принципиальное различие заключается в использовании вместо лазера тепловой печатающей головки. Лучше всего SHS-способ подходит для производства недорогих функциональных изделий. В качестве исходного материала используются пластики или металлы с низкой температурой плавления. Отпечатанные изделия из металла требуют дополнительного обжига для повышения прочности.

Преимущества SHS-метода:

— более низкая стоимость оборудования, чем в SLS-способе;

— засвечивание всего слоя объекта целиком.

Недостатки метода:

— более низкое, чем в SLS-способе, разрешение печати;

— низкая энергетическая отдача нагревательного элемента;

— узкий ассортимент исходных материалов;

— необходимость термической обработки изделий.

Выборочная лазерная плавка (Selective Laser Melting, SLM-способ). Этот способ был разработан в 1995 году Вильгельмом Майнерсом (Wilhelm Meiners) и Куртом Виссенбахом (Kurt Wissenbach) в Институте лазерных технологий Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Германия). Позже к проекту подключились Диетор Шварц (Dieter

о

го

Schwarz) и Маттиас Фокеле (Matthias Fockele) из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH, после чего способ был запатентован [10].

В этом способе, в отличие от SLS-метода, металлические частицы доводятся до состояния расплавления и свариваются друг с другом, образуя жесткий каркас. Сваривание происходит в герметичной камере, заполненной инертным газом — аргоном или азотом со сверхмалыми примесями кислорода. По контурам сечения проходит сплошная сварка, а внутренности стенок изделия могут свариваться в виде пространственной решетки. Остатки порошка могут использоваться повторно. Шаг вертикального перемещения стола составляет 20—100 мкм.

Исходными материалами являются порошки из нержавеющей и инструментальной стали, сплавов хрома и кобальта, титана, алюминия. Возможно применение и других сплавов, если порошки из них будут иметь необходимые характеристики сыпучести.

К преимуществам данного метода можно отнести:

— возможность создавать изделия с множеством закрытых полостей;

— возможность создавать объекты с большой площадью поверхности, но малым объемом;

— обширную область промышленного применения (от медицины, до аэрокосмической отрасли).

К недостаткам относят:

— сфероидизацию (эффект «образования шариков» под действием сил поверхностного натяжения вместо сплошной дорожки расплава) для некоторых видов сплавов (олово, медь, цинк, свинец);

— наличие внутренних напряжений в изделии;

— ограничение в использовании легированных сталей, связанное с их высокой температурой плавления и зависящее от конкретных присадок в стали;

— высокую стоимость оборудования и исходных материалов.

Явление сфероидизации (рис. 8) ведет к повышению пористости изделия. Нормальная пористость изделий, полученных методом SLM, составляет 0 — 3 %. После изготовления изделие подвергается дополнительной термообработке для снятия внутренних напряжений, увеличения прочности, улучшения структуры металла [11].

SLM-метод позволяет получать широкий ассортимент изделий конечного применения.

Прямое лазерное спекание металлов (Direct Metal Laser Sintering, DMLS-метод). Метод разработан компанией EOS из Мюнхена, Германия, в середине 1990-х годов. В качестве исходного материала могут использоваться практически любые металлы и сплавы в виде порошка.

На рынке представлен широкий перечень материалов для DMLS-способа: порошки на основе бронзы, нержавеющей и мартенситно-стареющей стали, кобальт-хром-молибденового, титанового и алюминиевого сплавов и др. [12]. В качестве нагревательного элемента для спекания порошка используют оптоволоконные лазеры мощностью порядка 200 Вт. Как и в SLS методе, лазер спекает слой порошка в рабочей камере, соответствующий контуру объекта, после чего наносится новый слой порошка и процесс повторяется. Данный способ характеризуется высоким разрешением печати — в среднем 20 мкм.

Среди преимуществ метода можно отметить:

— высокое разрешение печати;

— отсутствие необходимости поддержек;

Рис. 9. Принципиальная схема работы устройства по технологии EBM

— возможность повторного использования порошка;

— отсутствие ограничений по геометрической сложности изделия;

— высокая точность исполнения;

— минимизация необходимости механической обработки изделия;

— возможность создавать несколько изделий одновременно в рабочей камере.

К недостаткам можно отнести:

— более пористую структуру и низкую прочность готового изделия по сравнению с традиционными методами обработки металла (точение, фрезерование и др.);

— высокую стоимость оборудования и исходных материалов.

Развитием DMLS-способа является способ микролазерного спекания (Micro Laser Sintering, MLS-способ), который разработали специалисты фирмы EOS из Мюнхена, Германия. Это метод позволяет печатать объекты очень малых размеров. С его помощью получают изделия конечного потребления для медицины, микроэлектронной промышленности, ювелирные изделия. Толщина слоя, получаемая в этом способе, составляет 1—5 нм, при максимальном размере изделия 6 см в диаметре и 3 см в высоту. Исходный материал — порошок молибдена и нержавеющей стали. MLS-способ обладает очевидными преимуществами наряду с такими недостатками, как высокая стоимость оборудования и исходных материалов, ограниченные размеры изделия.

Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM-метод). Технология разработана в 2000-х годах шведской компанией Arcam AB [13]. Исходный материал представляет собой порошок чистого металла, связующего и наполнителя. Как правило, это титановые сплавы, но иногда используются и другие металлы для получения каких-либо специфических свойств.

Для расплавления порошка используется управляемый поток электронов, который генерируется электронной пушкой. С помощью управляемого магнитного поля этот поток фокусируется и позиционируется (рис. 9) [14]. Сочетание вакуума и общей высокой температуры (700— 1000 0C)

позволяет добиться снижения внутренних напряжений в изделии, поэтому этот способ не требует последующей температурной обработки, а прочность изделия сопоставима с прочностью кованых сплавов.

Кроме того, EBM-способ работает быстрее и точнее других благодаря высокой энергетической плотности электронного луча.

Минимальная толщина слоя составляет 50 мкм, точность построения модели ± 200 мкм.

Преимущества данного метода:

— отсутствие необходимости термообработки изделия после печати;

— высокая прочность, сопоставимая с коваными изделиями;

— более высокая скорость построения, чем при других методах;

— низкая пористость готовых изделий;

— отсутствие необходимости поддержек.

К недостаткам можно отнести:

— высокие затраты энергии;

— высокую сложность и стоимость оборудования и исходных материалов;

— необходимость изоляции печатного устройства вследствие высокой интенсивности излучения.

Библиографический список

1. Зленко, М. А. Аддитивные технологии в машиностроении : пособие для инженеров / М. В. Нагайцев, В. М. Довбыш. — М. : ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с.

2. Этапы ЭБ-печати. Цифровая модель с поддерживающими конструкциями [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/Jetapy-3D-pechati (дата обращения: 05.11.2015).

3. Crump, S. Apparatus and method for creating three-dimensional objects US patent 5121329, filed October 30th, 1989, published June 9th, 1992.

4. Пластик для 3D печати поддержки HIPS [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://250041.ua.all.biz/plastik-dlya-3d-pechati-podderzhki-hips-g8707738 (дата обращения: 05.11.2015).

5. Моделирование методом наплавления [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://can-touch.ru/blog/fused-deposition-modeling (дата обращения: 05.11.2015).

6. Обзор производителей расходных материалов для FDM 3Б-принтеров [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://geektimes.ru/post/231299/ (дата обращения: 07.11.2015).

7. Цифровые модели [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://images.rambler.ru/search? query=модели%203д%20 печати&adult = soft&i=1&utm_source = ramblersearch&utm_ medium = mixup&utm_campaign = images_up (дата обращения: 08.11.2015).

8. Deckard, C. Method and apparatus for producing parts by selective sintering, US patent 4863538, filed October 17th, 1986, published September 5th, 1989.

9. Выборочное лазерное спекание [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/ (дата обращения: 09.11.2015).

10. Meiners, Wissenbach & Gasser, Selective Laser Sintering at melting temperature, German patent DE 19649865, filed December 2nd, 1996, published Feb. 12th, 1998.

11. Технологии лазерного аддитивного производства металлических изделий [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://geektimes.ru/post/218271/ (дата обращения: 09.11.2015).

12. Direct Metal Laser Sintering или прямое лазерное спекание [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://can-touch.ru/blog/dmls/ (дата обращения: 13.11.2015).

13. Yamamoto N., Sakai K. Electron beam melting method for metallic material US patent 6858059, filed October 25th, 2002, published October 22th, 2005.

14. Electron Beam Melting (EBM) или технология электронно-лучевой плавки [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://can-touch.ru/blog/3d-printing-ebm/ (дата обращения: 17.11.2015).

ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии полиграфического производства».

СЛОБОДЕНЮК Василий Сергеевич, магистрант гр. ТПм-141 факультета элитного образования и магистратуры.

МЕЛЬНИКОВ Дмитрий Владимирович, студент гр. ТП-141 нефтехимического института. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 12.01.2016 г. © С. Н. Литунов, В. С. Слободенюк, Д. В. Мельников

Книжная полка

621.791/Е70

Еремин, Е. Н. Плазменно-дуговая резка : моногр. / Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 263 с.

Систематизирована и обобщена информация, дающая представление о современном состоянии плазменной резки в промышленном производстве. Рассмотрены свойства плазменной дуги и особенности устройств для ее получения. Описаны разновидности плазменной резки. Приведены конструктивные особенности и технико-экономические характеристики оборудования для плазменной резки отечественного и импортного производства. Даны практические рекомендации по использованию плазменной резки в различных отраслях промышленности.

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников сварочного производства машиностроительных предприятий и может быть использована студентами и аспирантами родственных специальностей.