ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ FDM ПРИНТЕРА С УЧЁТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ МОДЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.20

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ FDM ПРИНТЕРА С УЧЁТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ

РАЗМЕРОВ МОДЕЛЕЙ

Касимов Руслан Михайлович, инженер; ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Российская Федерация

Аннотация: Экструзия материалов является одной из наиболее часто используемых аддитивных технологий Наиболее распространенным применением этой технологии является производство опытных образцов, заготовок и небольших серийных деталей. В этой статье рассматривается взаимосвязь между различными геометриями моделей и такими параметрами, как температура, скорость печати и высота слоя. Типичными особенностями этой технологии являются простота печати, но это зависит от типа используемого материала и конкретного устройства. Принтеры с технологией моделирования плавленого осаждения (FDM) не имеют обратной связи о печатном материале, например, о точности печати. Эта статья направлена на то, чтобы легко найти идеальные параметры для технологии печати FDM с использованием материала полимолочной кислоты (PLA).

Ключевые слова: аддитивное производство; технология FDM; полимолочная кислота; параметры 3D-печати; экструзия материалов.

DETERMINING THE PARAMETERS OF THE FDM PRINTER, TAKING INTO ACCOUNT THE GEOMETRIC DIMENSIONS OF THE MODELS

Kasimov Ruslan Mihajlovich, engineer; FSAC VIM, Moscow, Russia

Abstract: Material extrusion is one of the most commonly used additive technologies. The most common application of this technology is the production of prototypes, blanks, and small production parts. This article examines the relationship between different model geometries and parameters such as temperature, print speed, and layer height. Typical features of this technology are the ease of printing, but this depends on the type of material used and the specific device. Printers with fused deposition modeling (FDM) technology do not have feedback about the printed material, such as print accuracy This article aims to easily find the ideal parameters for FDM printing technology using polylactic acid (PLA) material.

Keywords: additive manufacturing; FDM technology; polylactic acid; 3D printing parameters; material extrusion.

Для цитирования: Касимов, Р. М. Определение параметров FDM принтера с учётом геометрических размеров моделей / Р. М. Касимов. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2021. - № 5 (57). - С. 3945. - URL: https://nauka-bez-granic.ru/No-5-57-2021/5-57-2021/

For citation: Kasimov R.M. Determining the parameters of the FDM printer, taking into account the geometric dimensions of the models // Scince without borders, 2021, no. 5 (57), pp. 39-45.

Технология аддитивного произ- помощью этого метода имеет много

водства, известная как ЗО-печать, преимуществ по сравнению с тради-

более распространена в отдельных ционными технологиями производ-

отраслях. Изготовление деталей с ства. Технология FDM, также из-

вестная как изготовление плавленых нитей (FFF), в настоящее время является наиболее распространенным способом быстрого производства изделий с использованием аддитивного производства. Этот метод является хорошо известной технологией, запатентованной в 1989 году Скоттом Крампом, соучредителем компании Stratasys. 3D-печать с помощью FDM заключается в нанесении нити из термопластичного материала. Часть нити из катушки проходит через горячую головку с температурой выше температуры плавления нити, а затем экструдируется в плоскости XY, создавая слой твердого материала на пластине сборки. Этот термин эквивалентен моделированию плавленого осаждения (FDM). Создание модели может быть сделано путем нанесения контура слоя, а затем заполнения внутренней части пластифицированным материалом зигзагообразным движением головки. После печати одного слоя головка перемещается вдоль оси Z, инициируя наращивание следующего слоя. Используя эту технику, мы можем создавать сложные формы с минимумом подготовительных процессов. Производственный процесс начинается с создания модели в САПР, затем модель включается в программу, позволяющую контролировать параметры процесса, такие как перемещение головки, скорость подачи, толщина слоя, заполнение, температура головки и стола, нарезка, применение поддержки и т.д. Модель, извлеченная из принтера, нуждается в финишной обработке, например, для удаления опор и дефектов [1, 2].

Объекты, напечатанные с помощью этой технологии, многослойны, а программное обеспечение (slicer-слайсер)

позволяет изменять множество настроек. Производители предоставляют информацию о своих принтерах, такую как минимальный слой, точность, размер печатного стола и другие технические параметры. Но это может не относиться ко всем печатным деталям с различной геометрией. Большинство принтеров имеют рекомендуемые настройки, предоставляемые через профиль в различных слайсерах [3]. Профили зависят только от используемого материала, типа принтера и обеспечивают тип и свойства печатной геометрии. Многие статьи посвящены точности размеров на последнем этапе аддитивного производства. Они устраняют неточности печати с помощью постобработки. Технология, используемая для доработки поверхности, - это сглаживание парами химических жидкостей (аце-тон/дихлорметан/Лимонен), но за счет точности размеров. Эта статья посвящена зависимости между геометрией модели и такими параметрами, как температура, скорость печати и высота слоя.

Выбранным материалом была полимолочная кислота (PLA). Это био-разлагаемый материал, полученный из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. PLA с акрилонитрилбу-тадиенстиролом (ABS) являются наиболее используемыми материалами в FDM печати. PLA по сравнению с ABS легче и быстрее печатать при тех же начальных условиях, но изделия из PLF пластика значительно менее устойчивы к более высоким температурам. С материальной точки зрения продукты PLA менее гибкие и блестящие, чем ABS.

Рисунок 1 - FMD технология

Физические свойства PLА пластика

Таблица

Свойства Значения

Температура плавления 170-190, °C

Температура стеклования 60-70, °C

Температура теплового отклонения 65, °C

Плотность 1.3, гр/см3

Диаметр прутка 1.75, мм

Пример FDM на рис. 2 использовался для проверки геометрии с различными настройками принтера. На чертеже на рисунке (рис. 2) приведены основные параметры для проверки с различными настройками принтера. Данное изделие используется в комбайне как кронштейн датчика анализа влажности. Поскольку программное обеспечение для принтеров нуждается в формате файла стереолитогра-

фии (STL), оно было экспортировано со следующими параметрами. Допуск хорды был установлен до 0,05 мм и 5° в качестве углового допуска, что полностью достаточно с точки зрения геометрических форм и параметров печати. Меньший допуск увеличивает детализацию экспорта, но не является необходимым для печати с указанными параметрами и только увеличивает размер файла STL [4, 5, 6].

1

1Л U

J.i

Рисунок 2 - Данные САПР с основными параметрами чертежа (кронштейн датчика анализа влажности)

Файл STL был использован в качестве входного файла для программного обеспечения Slicer Cura 4.9.0. Все параметры печати были настроены в этом слайсере. Основные параметры (скорость, температура и высота слоя) были изменены в каждой печати, но другие параметры, такие как ширина линии, обдув модели, нагрев стола, юбка и т.д., были одинаковы для всех печатных образцов. Ширина линии зависит от диаметра сопла и должна совпадать с соплом. Все печатные детали имеют одинаковые настройки. Основные параметры: заполнение - 100%,

размер сопла - 0,5 мм, четыре стенки, нагрев стола - 40°С, охлаждение детали со второго слоя. Тестируемыми параметрами являются температура (180°С, 200°С, 220°С), скорость (20 мм/с, 30 мм/с, 40 мм/с) и высота слоя (0,1 мм, 0,2 мм) во всех комбинациях. Принтер, работающий с G-кодом, который является выходом программного обеспечения Slicer. G-код - это язык программирования с инструкциями для 3D-принтера. Эти инструкции содержат всю информацию о настройках печати и геометрии модели, преобразованной в путь печати [7, 8].

Рисунок 3 - Подготовленные образцы в слайсере Cura

Все образцы были напечатаны на ет 250-300 мм/с на площади печати

принтере Total Z AnyForm 250 G3. На- 250 х 250 х 250 мм. Direct экструдер

гревательный стол может нагревать- позволил в краткие сроки Приведен-

ся до 110°C, но для целей печати PLA ные ниже значения - это параметры,

достаточно 60°C. Теоретическая мак- которые использовались для печати. симальная скорость печати составля-

Рисунок 4 - Напечатанные образцы из PLA пластика

После окончания печати всех образцов проводятся измерения и анализ. Образец FDM имеет множество контролируемых и измеряемых элементов. Все элементы были измерены и сопоставлены с настройками принтера (скорость, слой, температура). Есть элементы круг 8, круг 6, круг 4, прямоугольник 3 и прямоугольник 5. Форма (круг, прямоугольник) - это тип геометрии, а числа-диаметры в миллиметрах. Один диаметр по осям X и Y. Диаметр Z представляет собой лестницу 1, лестницу 2 и лестницу 3, где каждая лестница имеет разную высоту по оси Z. Последний параметр - минимальный размер стены. Это означает, насколько точна тонкая стенка.

Данные, собранные со всех печатных объектов. На каждый параметр печати использовалось по 3 образца, чтобы свести к минимуму частоту ошибок.

Параметр точности по оси Z имеет сбалансированные результаты (лестницы в схеме). Нельзя сказать, что

какой-либо тестируемый параметр влияет на точность по оси Z. Образцы с более высокой температурой показывают признаки большей текучести и меньшей точности. Эта проблема обычно появляется при минимальном параметре размера стены(толщины) [9, 10].

Геометрия круга имеет большую точность с большим диаметром. То же правило относится и к прямоугольной форме, больший диаметр имеет лучшую точность. Наилучшими результатами образцов, то есть с минимальным отклонением от требуемых размеров, являются сложное сочетание высоты нижнего слоя (0,1 мм) и более низкой температуры (180°C).

Выше описываются идеальные настройки принтера для моделирования при FDM печати. Эти настройки трудно найти во время реального производства, поэтому был проведен экспериментальный анализ. Собранные данные показывают зависимость

геометрии от свойств печати. Основными тестируемыми параметрами были скорость, температура и высота слоя. Результаты показывают, что точность в основном зависит от температуры и высоты слоя. Наилучшие результаты были получены при использовании более низкой температуры и более тонкого слоя (но чем тоньше слой укладывания, тем доль-

ше будет печататься образец). Этот тест имеет множество возможностей для продолжения и расширения информации о тестировании для идеальных настроек принтера FDM. Такие же тесты можно провести на ABS/ PETG пластиках, чтобы проанализировать как меняются свойства/геометрические характеристики в зависимости от типа пластика.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Свиридов, А. С., Тужилин, С. П., Лопатина, Ю. А. Использование цифровой 3D^ep-мы в ремонтном производстве сельскохозяйственной техники / А. С. Свиридов, С. П. Тужилин, Ю. А. Лопатина. - Текст : непосредственный // Журнал «Технический сервис машин». - 2019. - № 1(134). - С. 93-99.

2. Казберов, Р. Я., Лопатина, Ю. С. Методы и подходы повышения качества изделий при 3D-печати по технологии FDM/FFF / Р. Я. Казберов, Ю. С. Лопатина. - Текст : непосредственный // Новые материалы и перспективные технологии. Сборник материалов шестого междисциплинарного научного форума с международным участием. - 2020. - С. 560-566.

3. Лопатина, Ю. А. Повышение прочностных свойств изделий, изготавливаемых методом 3D-печати по технологии FMD / Ю. А. Лопатина. - Текст : непосредственный // Будущее машиностроения России. Сборник докладов Двенадцатой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (с международным участием). - 2019. - С. 249-252.

4. Свиридов, А. С. Применение САПР - систем при проектировании рабочих органов сельскохозяйственных машин / А.С. Свиридов. - Текст : непосредственный // 68 Международная студенческая научно-практическая конференция, посвящённая 150-летию Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева. - 2015. - С. 152-155.

5. Дорохов, А. С. Выполнение чертежей с использованием системы "КОМПАС-3D" / А. С. Дорохов, Е. Л. Чепурина, К. А. Краснящих, Ю. В. Катаев, Г. М. Вялых. - Текст : непосредственный // Москва, 2016. - 76 с.

6. Дорохов, А. С. Компьютерное проектирование в системе AUTOCAD / А. С. Дорохов, Ю. В. Катаев, К. А. Краснящих, Г. М. Вялых. - Текст : непосредственный // Москва, 2016. - 80 с.

7. Лопатина, Ю. А. Применение 3D-печати методом FDM при ремонте машин и оборудования / Ю. А. Лопатина. - Текст : непосредственный // Журнал «Технический сервис машин». -2019. - № 3(136). - С. 40-45.

8. Турченко, М. В., Лопатина, Ю. А. Возможности применения 3D-печати для технического сервиса / М. В. Турченко, Ю. А. Лопатина. - Текст : непосредственный // Проблемы технического сервиса в АПК. Сборник научных трудов IV Всероссийской научно-практической конференции. - 2021. - С. 159-164

9. Лопатина, Ю. А. Оценка возможности применения 3D-печати филаментом из вторичного сырья для изготовления деталей сельскохозяйственных машин и оборудования / Ю. А. Лопатина, А. С. Свиридов, А. И. Плохих. - Текст : непосредственный // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. - 2019. - № 10. - С. 58-64.

10. Свиридов, А. С., Краснящих, К. А. Обоснование условий хранения термопластиков / А. С. Свиридов, К. А. Краснящих. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2018. - № 5 (22). - С. 69-72. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35086592

REFERENCES

1. Sviridov A.S., Tuzhilin S.P., Lopatina Yu.A. Ispol'zovanie cifrovoj 3D-fermy v remontnom proizvodstve sel'skohozyajstvennoj tekhniki [The use of a digital 3D farm in the repair production of agricultural machinery]. 2019, no. 1(134), pp. 93-99/

2. Kazberov R.Ya., Lopatina Yu.S. Metody i podhody povysheniya kachestva izdelij pri 3D-pechati po tekhnologii FDM/FFF [Methods and approaches for improving the quality of products in 3D printing using FDM/FFF technology]. Novyj materialy i perspektivnye tekhnologii. Sbornik materialov shestogo mezhdisciplinarnogo nauchnogo foruma s mezhdunarodnym uchastiem, 2020, pp. 560-566.

3. Lopatina Yu.A. Povyshenie prochnostnyh svojstv izdelij, izgotavlivaemyh metodom 3D-pechati po tekhnologii FMD [Improving the strength properties of products manufactured by 3D printing using FMD technology]. Budushchee mashinostroeniya Rossii. Sbornik dokladov Dvenadcatoj Vserossijskoj konferencii molodyh uchenyh i specialistov (s mezhdunarodnym uchastiem), 2019, pp. 249-252.

4. Sviridov A.S. Primenenie SAPR - sistem pri proektirovanii rabochih organov sel'skohozyajstvennyh mashin [Application of CAD systemsin the design of working bodies of agricultural machines]. 68 Mezhdunarodnaya studencheskaya nauchno-prakticheskaya konferenciya, posvyashchyonnaya 150-letiyu Rossijskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta - MSKHA imeni K.A. Timiryazeva, 2015, pp. 152-155.

5. 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 system"]. Moscow, 2016, 76 p.

6. 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, 80 p.

7.Lopatina YU.A., Primenenie3D-pechatimetodomFDM pri remonte mashinioborudovaniya [The use of 3D printing by FDM in the repair of machinery and equipment]. Zhurnal «Tekhnicheskij servis mashin», 2019, no. 3(136), pp. 40-45.

8. Turchenko M.V., Lopatina Yu.A., Vozmozhnosti primeneniya 3D-pechati dlya tekhnicheskogo servisa [Possibilities of using 3D printing for technical service]. Problemy tekhnicheskogo servisa v APK. Sbornik nauchnyh trudov IV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 2021, pp. 159-164.

9. Lopatina Yu.A., Sviridov A.S., Plohih A.I. Ocenka vozmozhnosti primeneniya 3D-pechati filamentom iz vtorichnogo syr'ya dlya izgotovleniya detalej sel'skohozyajstvennyh mashin i oborudovaniya [Evaluation of the possibility of using 3D printing with recycled filament for the manufacture of parts of agricultural machinery and equipment]. Sel'skohozyajstvennaya tekhnika: obsluzhivanie i remont, 2019, no. 10, pp. 58-64.

10. 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.

Материал поступил в редакцию 23.05.2021

© Касимов Р.М., 2021