CC BY
87
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 67:[004.356+004.925.84]
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-nE4ATO В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Миних Евгений Александрович,
студент направления подготовки «Информационные системы и технологии» Научный руководитель — Д. А. Яковлев, старший преподаватель кафедры информационных технологий и систем Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова (г. Абакан)
В данной статье рассмотрены особенности различных технологий 3D-печати, указаны способы их реализации на практике, определено применение данных технологий в различных сферах деятельности человека, названы достоинства и недостатки рассматриваемых технологий трёхмерной печати.
Ключевые слова: 3Б-печать, технология лазерной стереолитографии, технология лазерного спекания, метод многоструйного моделирования, технология наплавления, технология послойной укладки полимера.
PECULIARITIES OF APPLYING 3D-PRINTING TECHNOLOGIES IN THE INDUSTRIAL PRODUCTION
Minikh Evgeny Aleksandrovich,
student
Scientific adviser — D. A. Yakovlev, Senior Lecturer, the Department of Information Technology and Systems Katanov Khakass State University (Abakan)
This article deals with various 3D printing technologies to indicate methods of their practical implementation. The authors define application of these technologies in various fields of human activity and describe advantages and disadvantages of the considered three-dimensional printing technologies.
Key words:3D printing, laser stereolithography technology (SL), laser sintering technology (LS), multi-jet modeling method (MJM), deposition technology (DLP), polymer layering technology (FDM).
Предметом рассмотрения данного исследования являются технологии 3D-печати, применяемые в промышленном производстве. Цель исследования состоит в проведении анализа особенностей применения указанных технологий в промышленном производстве. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
а) выявление наиболее распространённых в современном промышленном производстве технологий 3D-печати;
б) описание принципов действия применяемых в разных производствах и сферах деятельности человека технологий 3D-печати;
в) определение достоинств и недостатков описываемых технологий 3D-печати.
Следует сказать, что технология трёхмерной печати сегодня применяется практически повсеместно, начиная от домашнего обихода, продолжая медицинской сферой и заканчивая промышленным производством. Сказанное предопределяет следующий факт: будущий специалист-инженер неизбежно столкнётся в своей профессиональной деятельности с данной технологией, и, соответственно, ему необходимо иметь не только представление о ней, но и знать её специфику, существующие разновидности 3D-печати, типы их устройств, принципы действия, достоинства и недостатки.
3D-печать - это разновидность аддитивного производства физического объекта при помощи трёхмерной модели, полученной в резуль-
тате сканирования или работы в специальных программах [1]. Также под 3Б-печатью понимается «получение объёмных изделий методом нанесения материала с помощью печатающей головки, сопла или других компонентов принтера. Вне технических сфер термин взаимозаменяем с термином «аддитивное производство» [2]. Сам же SD-принтер представляет собой станок с числовым программным управлением, использующий метод послойной печати детали.
Преимуществом рассматриваемой технологии является то, что с её помощью можно:
- воссоздавать точные копии нужного предмета;
- экономить расход материалов;
- создавать необходимое количество одинаковых объектов;
- создавать объекты автоматически;
- использовать широкий спектр материалов, например: пластик, бетон, резину, титан и ряд других.
К преимуществам технологи SD-печати следует также отнести то, что используемые для неё материалы хранятся длительное время.
Далее рассмотрим наиболее распространённые на данный момент пять технологий 3Б-печати. В процессе описания этих технологий обратим внимание на принципы их действия, остановимся на последовательности применения каждой технологии, назовём возможные сферы их использования, укажем достоинства и недостатки рассматриваемых технологий.
SL-technology (StеrеoПthogrаphy Technology) - технология лазерной стереолитогра-фии. Принцип ее действия представлен на рисунке 1. Особенность SL-технологии заключается в том, что для неё применяется специальная герметичная ёмкость, в которую заливается полимер. Луч лазера проходит по границе жидкости, и в месте прохождения лазера происходит процесс затвердевания пла-
стика. Затем подложка опускается и процесс повторяется до полной готовности детали.
Для выполнения процесса затвердевания достаточно лазера от Blu-гау проигрывателя, что позволяет удешевить производство данных принтеров и использовать их в домашних условиях.
После печати таким методом требуется обработка напечатанного объекта, суть которой состоит в удалении лишнего материала и поддержки изготовляемой детали. В некоторых случаях необходима и шлифовка полученной продукции. Для увеличения прочности модели её могут запечь в так называемой ультрафиолетовой духовке [3; 4].
К недостаткам данного вида печати относится то, что её применение требует специальной защиты и проветривания помещений. Это связано с тем, что используемый полимер зачастую бывает токсичным.
LS-technology (Lаsеr Sintеring Technology) -технология лазерного спекания. Данный тип печати имеет схожий принцип действия с технологией стереолитографии, только вместо жидкого полимера здесь используется специальный порошок (рис. 2). Этот материал насыпается на платформу тонким слоем при помощи специального валика. На платформе при помощи лазерного луча происходит формирование слоя, затем платформа опускается на ширину одного слоя и процесс повторяется [5].
Преимущества данной технологии заключаются в следующем:
- при её применении нет необходимости поддержки изделия;
- отличается высокой скоростью изготовления объектов (до 35 мм/час);
- предоставляет возможность выбора большого количества материалов для изготовления продукции: сталь, алюминий, керамика, композитные материалы, высоконаполненные пластики, стекло и т. д.;
- на её основе возможно изготовление крупногабаритных прототипов.
Рис. 1. Лазерная стереолитография
К недостаткам технология лазерного спекания можно отнести следующие:
- высокая стоимость качественного оборудования;
- высокая стоимость высококачественных расходных материалов;
- длительная подготовка к эксплуатации оборудования;
- трудоёмкость обслуживания оборудования;
- необходимость постобработки полученного объекта, так как в процессе изготовления получается шероховатая поверхность.
Рис. 2. Технология лазерного спекания
3Б-печать применяется во множестве областей, но преимущественно в тех, где требуется получение конечного изделия. Используется LS в авиационной и космической промышленности, автопромышленности и общем машиностроении, медицине и других областях [6].
MJM (МиШ Jеt Modеling) - метод многоструйного моделирования. MJM-печать имеет несколько особенностей. Одна из них заключается в том, что печатающая головка, двигаясь над зоной печати, укладывает микрокапли
фотополимерной смолы всей площадью печатающей головки в соответствии с управляющей программой, которая предварительно создаётся в CAM-системе. По этой причине «выращивание» изделия производится не отдельной точкой, а площадью (поверхностью) всей печатающей головки.
Другая особенность состоит в том, что про-тотипирование производится не только послойно, но и построчно. Указанный параметр является очень важным, так как он существенно ускоряет процесс производства деталей, не снижая при этом их качества.
Ещё одной особенностью технологии MJM можно назвать весьма высокие показатели производительности, которыми отличаются 3D-принтеры с данной технологией. Это достигается за счёт внушительной площади печатающей головки, достигаемой количеством сопел. 3D-принтеры на основе технологии на-плавления допускают изготовление даже крупногабаритных прототипов изделий (до 2000x1000 мм), при этом процесс их изготовления не занимает много времени.
Следует сказать, что для готовых изделий, произведённых из фотополимерных смол, желательно производить их доработку путём постотверждения в ультрафиолетовой камере. Подобная доработка необходима не всегда, но считается желательной.
Технология Multi Jеt Modеling допускает одновременное использование нескольких материалов, которые имитируют классические термопласты: пластики ABS, термоэластопла-сты (резиноподобные пластики) и др. Такая возможность даёт напечатать готовый полнофункциональный разноцветный прототип высокого качества из разных по свойствам материалов. Довольно часто напечатанный на 3D-принтере прототип невозможно бывает отличить от промышленно-произведённого товара.
Метод многоструйного моделирования (MJM) отличается простотой использования и высоким качеством изготовленных изделий.
Многоструйный SD-принтер имеет разрешение печати минимум 450 точек/дюйм.
К плюсам данной технологии относятся:
- высокое качество получаемых изделий;
- высокая скорость изготовления продукции;
- возможность одновременного использования нескольких аналогов классических термопластов; возможность изготовления крупногабаритных полнофункциональных прототипов.
Минусами данной технологии являются:
- высокая стоимость фотополимерной смолы;
- стандартная термостойкость отверждён-ного фотополимера (не более 80 градусов по Цельсию);
- высокая стоимость оборудования;
- требуется поддержка нависающих элементов модели [7].
Данный тип печати имеет широкое применение - от производства игрушек и использования в медицине до применения в автопромышленности и авиастроении.
DLP (Digital Light Processing) - технология наплавления. DLP имеет схожий с MJM технологический процесс с точки зрения принципа его действия. Отличием для него является использование для спекания объекта обычного светового потока, а не ультрафиолетового излучения. Материал во время печати постоянно пополняется и находится на определённом уровне. Во время процесса печати объект помещается в закрытую от внешнего света камеру для того, чтобы избегать засветки. В качестве средств поддержки используют воск [4].
FDM (Fused Deposition Modeling) - технология послойной укладки полимера. Моделирование методом наплавления FDM - самая доступная и распространённая технология аддитивного производства. Прототипирование объёмного изделия в данной технологии производится за счёт послойного наложения нити разогретого термопласта (пластмассы) по слоям в соответ-
ствии с управляющей программой. Мини-экструдер прокладывает и спаивает нити по всей площади и периметру слоя модели, постепенно «выращивая» готовое изделие. На сегодняшний день моделирование методом наплав-ления является самым распространённым и дешёвым методом SD-прототипи-рования.
В технологии FDM используются различные материалы: резина, полиамид, полипропилен, пластики abs pla и т. д. Множество вариантов расцветок и наполнения пластика различными включениями позволяет создавать в домашних условиях эксклюзивные изделия, а в промышленных - качественные SD-прото-типы, поскольку FDM используется как для промышленного SD-прототипирования, так и для обучения в научных центрах; кроме того, данная технология применяется для развлечения в домашних условиях [8]. Сфера применения ихтехнологии очень широка: данные модели используют в печати домов, применяют в медицине и других отраслях человеческой деятельности.
Преимуществами этой технологии можно назвать:
- низкую стоимость и доступность оборудования;
- низкую стоимость расходных материалов;
- широкое разнообразие используемых материалов;
- возможность одновременного использования нескольких термопластов.
Имеются и существенные недостатки, к которым, в частности, относятся:
- низкая скорость печатания (изготовления продукции);
- возможность деформации изделия за счёт усадки пластика при неверно заданных режимах изготовления либо вследствие отсутствия поддержания в камере 3D-принтера определённой температуры;
- более низкое качество 3D-принтеров (за исключением последних моделей);
- необходимость поддержки нависающих элементов модели [9; 10].
Таким образом, проведённое исследование позволило определить наиболее распространённые в современном промышленном производстве технологии 3Б-печати, описать принципы их действия, указать сферы применения технологий 3D-печати, выявить достоинства и недостатки технологий трёхмерной печати.
Рис. 3. Технология послойной укладки полимера
Библиографический список
1. Основные методы и виды 3Б-печати. URL: https://www.2d-3d.ru/opisanie-programm/1536-osnovnye-metody-3d-pechati.html (дата обращения: 01.11.2019)
2. Словарь терминов 3Б-печати: краткий путеводитель технологии. URL: https://ru.just-translate-it.com/slovar-terminov-3d-pechati/ (дата обращения: 01.11.2019).
3. Классификация 3Б-принтеров (7 технологий 3Б-печати). URL: https://hаbr.com/ru/post/2о89о6/ (дата обращения: 12.11.2019).
4. Технологии 3Б-печати. URL: https://rеc3d.ru/wiki/2/tyеkhnologü-3d-pyеchаti/ (дата обращения: 12.11.2019).
5. Селективное лазерное спекание SLS. 3Б-прототипирование - 3Б-печать металлом, алюминием, керамикой, композитами и иными мелкодисперсными порошками. URL: http://world-of-cnc.com/tеchnology/11 (дата обращения: 12.11.2019).
6. Прототипирование. Многоструйное моделирование - технология MJM. URL: http://world-of-cnc.com/tеchnology/prototipirovаniе-mnogostrujnoе-modеlirovаniе-tеhnologiа-mjm/?lаng=ru (дата обращения: 09.11.2019).
7. Основные методы и виды 3Б-печати. URL: https://www2d-3d.ru/opisаniе-progrаmm/1536-osnovnyе-mеtody-3d-pеchаti.html (дата обращения: 02.11.2019).
8. Технологии, используемые в 3Б-печати. URL: https://3dcorp.ru/tеhnology-3dprint.html (дата обращения: 12.11.2019).
9. Далинчук В. С., Власенко Д. А. Основные аспекты печати домов с помощью 3Б-принтера / В. С. Далинчук // Международный научный журнал «Инновационное развитие». 2016. № 2 (2) сентябрь. С. 6-12.
10. Колебирова Ю. С. Влияние развития 3Б-печати для строительной области // Студенческий: электронный научный журнал. - 2018. - № 9 (29). URL: https://sibаc.info/journаl/studеnt/29/105007 (дата обращения: 01.11.2019).
© Миних Е. А., 2020
