CC BY
34Ученый XXI века • 2016 • № 1 (14) Технические науки
УДК 621.7
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ ПОСЛОЙНОГО НАПЛАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА
О.Ю. Зотов1, Д.А. Фролов2
Аннотатция
В статье описывается метод изготовления изделий путем послойного на-плавления материала, а также общие принципы формирования структуры изделий. Представлен обобщенный результат оценки физико-механических свойств изделий полученных по технологии FDM.
Ключевые слова: 3D печать, FDM, аддитивные технологии, прототипирование, репликация.
В условиях быстроизменяющегося потребительского спроса и предложения современного рынка, связанных с высоким темпом смены ассортимента изделий, необходимо непрерывно обеспечивать выпуск новых высококачественных изделий. Это приводит к тому, что необходимо минимизировать сроки на подготовку изделий в серийное производство. В процессе изготовления нового изделия, часто бывает трудно обнаружить различные недостатки и ошибки, при использовании только 3D-модели. Отсюда необходимо обеспечить внедрение и применение инновационных технологий в процессе проектной деятельности, дающих возможность быстрого изготовления изделия, для оценки эстетических и функциональных его качеств. С помощью выращенного образца будущего изделия, можно выявить и устранить разного рода ошибки, которые не всегда видны на компьютерной модели. Одним из способов сокращения временных затрат является применение технологии FDM, моделирования методом послойного наплавления (англ. fused deposition modeling) - технология, широко применяемая для создания 3D-моделей.
Технология FDM подразумевает создание трехмерных изделий за счет последовательного нанесения слоев, повторяющих геометрию цифровой модели (CAD). В качестве материалов для печати используются термопластики, поставляемые в виде катушек нитей. Однако, требования по качеству и точности, которые предъявляются к изделиям, не отличаются от требований к изделиям, полученных другим методом изготовления. В связи с этим, исследование метода FDM и его точностных характеристик является актуальной задачей.
Технология печати методом послойного наплавления была разработана С. Скоттом Трампом в конце 80-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990 года. На данный момент, технология получает все большее распространение для изготовления прототипов изделий, использующихся в различных отраслях. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства, что позволяет снизить стоимость конечного изделия.
1Зотов Олег Юрьевич - магистрант механико-технологического факультета, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
2Фролов Дмитрий Александрович - магистр механико-технологического факультета, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Изготовление изделия начинается с разбиения CAD модели на слои и позиционирования на рабочей платформе наиболее подходящим для печати образом. Существуют устройства, которые позволяют во время одного цикла использовать разные материалы. Например, модель печатают из одного материала, а опоры из другого - легкорастворимого материала, что позволит легко удалить поддерживающие структуры после окончания печати. Так же можно печатать модель разными цветами одного и того же вида пластика, либо использовать материалы с различными физико-механическими свойствами. Модель (изделие), производится экструзией (выдавливанием) и нанесением микрокапель расплавленного пластика с созданием последовательных слоев, которые застывают сразу после экструдирования (Рис. 1). [3]
Рис. 1. a) общий вид; б) схема работы FDM принтера
Нить разматывается с катушки и подается в экструдер (Рис. 2). Экструдер и платформа двигаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогично используемых в станках с ЧПУ. Движение сопла происходит по траектории, которая задается системой автоматизированного проектирования. Изготовление модели происходит снизу вверх, путем послойного добавления материала. В движение экструдер приводится сервоприводами. Самой распространенной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Как альтернатива Декартовой системе, применяется цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами». Композиты и термопласты, в том числе ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды и другие являются расходными материалами для данных принтеров. [2]
^Ч Щ
Рис. 2. Экструдер FDM принтера PLA-пластик (полилактид, ПЛА) - является биоразлагаемым, биосовместимым, термопластичным алифатическим полиэфиром, структурная единица
которого - молочная кислота. PLA -пластик производят из сахарного тростника и кукурузы, также сырьем служат: соевый белок, картофельный крахмал, целлюлоза. Физико-механические свойства PLA-пластика представлены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства PLA-пластика
Температура плавления 173-178°C
Температура размягчения 50°C
Твердость (по Роквеллу) R70-R90
Относительное удлинение при разрыве 3,8%
Прочность на изгиб 55,3 МПа
Прочность на разрыв 57,8 МПа
Модуль упругости при растяжении 3,3 ГПа
Модуль упругости при изгибе 2,3 ГПа
Температура стеклования 60-65°C
Плотность 1,23-1,25 г/см3
Минимальная толщина стенок 1 мм
Точность печати ± 0,1%
Размер мельчайших деталей 0,3 мм
Усадка при изготовлении изделий нет
Влагопоглощение 0,5-50%
Натуральный состав PLA-пластика позволяет применять его для различных целей, без угрозы для здоровья человека. При изготовлении PLA-пластика значительно сокращаются выбросы углекислого газа. PLA-пластик поставляется на рынок в виде нити, намотанной на катушку.
Преимущества PLA-пластика:
• широкая цветовая палитра;
• нетоксичен;
• размеры стабильны;
• при печати нет необходимости в нагретой платформе;
• отличное скольжение деталей;
• идеален для движущихся частей и механических моделей;
• получение более детальных и полностью готовых к применению объектов;
• экономия энергозатрат из-за низкой температуры размягчения нити.
PLA-пластик идеален для 3D-печати объектов с тщательной детализацией. В результате выращивания модели расплавленным пластиком создается полностью готовая к применению деталь. Детали из PLA-пластика подвергают механообработке (шлифованию и сверлению), а также красят акрилом. Однако изделия из PLA-пластика являются хрупкими. Еще одним недостатком PLA-пластика является его недолговечность: материал служит от нескольких месяцев до нескольких лет. PLA-пластик является отличным материалом для прото-типирования, но только для образцов, которые предполагают короткие сроки эксплуатации. [1]
На основании проведенных экспериментов и математических расчетов были сформулированы основные выводы:
Применение FDM метода и материалов является перспективным для изготовления изделий, применяемых в качестве прототипов для оценки визуальных свойств, эргономических свойств и собираемости компонентов изделий на стадии концептуальной проработки проекта, а также для применения в качестве полнофункциональных изделий, обладающих требуемыми свойствами, неответственных узлов.
Экспериментальные исследования (Рис.3, 4) позволили получить значения прочности при растяжении а рм= 55,21 МПа и предел текучести материала арт =40,9Н/мм2. Анализ полученных результатов показал их расхождение с таб-
личными свойствами материала на 4,5 процента. Это можно объяснить тем, что они приведены для исходного материала «проволоки» полученной экструзией гранулированного материала. Сравнение расчетных значений, результатов, полученных при проведении численного эксперимента, а так же экспериментальных результатов показывает, что разница между ними составляет не более 6 и 10 процентов соответственно.
Load-Defor
5.26 4.66 4.08 3.50 2.02 2.33 1.75 1.17 0 58 0.00 0.0 12
J
\
00 0.661 1.322 1.964 2.645 3.306 3.967 4.629 5.296 5.951 6.6
Рис. 3. График нагрузки-перемещения трех образцов
J -"1
\ i \
Рис. 4. График напряжения-деформации трех образцов
Установлено отсутствие влияния ориентации модели на рабочем столе на прочность материала при растяжении а рм и его предел текучести. Это объясняется особенностями генерации траектории движения печатающей головки -каждый последующий слой накладывается перпендикулярно предшествующему.
В заключение стоит отметить, что в настоящее время FDM является одним из наименее дорогих методов 3D печати и при этом самым дешевым и перспективным методом прототипирования и изготовления как отдельных изделий, так и функционирующих механизмов. В дальнейшем данная технология неминуемо будет удешевляться приобретать все более широкий охват.
Список литературы:
1. Plastics and thermoplastic elastomers/materials. - Minnesota Rubber, 1999;
2. Информационный портал RPM технологий [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.rpm-novation.com (дата обращения 03.06.2015);
3. Применение технологии прототипирования [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://prototipirovanie.ru/index.php?option=content&task=view&id=95 (дата обращения 03.06.2015).
© О.Ю. Зотов, Д.А. Фролов, 2016
UDC 621.7
FEATURES OF THE METHOD OF PRODUCTION OF PRODUCTS BY LAYER-BY-LAYER FUSING OF MATERIAL
O.Yu. Zotov, D.A. Frolov
Abstract. In article the method of production of products by layer-by-layer fusing of material, and also the general principles of formation of structure of products is described. The generalized result of an assessment of physicomechanical properties of the products received on the FDM technology is presented.
Keywords: 3D press, FDM, additive technologies, prototyping, replication.
© O.Yu. Zotov, D.A. Frolov, 2016
