Перспективные технологии 3D-печати Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

the cylinder material thermoelasticity and its coating on the sound scattering. We obtained analytical expressions for the laws of the coating material inhomogeneity, which provide the least intensity of the scattered acoustic field.

Key words: sound scattering, cylinder with coating, thermoelastic cylinder, inhomo-geneous thermoelastic layer, inhomogeneity laws.

Larin Nikolay Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, do-cent, Larinaelenamail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 681.6

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 3Б-ПЕЧАТИ

Я.Р. Голубничая, Н.Е. Проскуряков

Рассмотрены основные этапы висториитрехмерной печати, технологии для создания конкретного объекта по его ЗБ-образцу, вопросы экономической целесообразности использования ЗБ-принтеров.

Ключевые слова: аддитивноепроизводство, ЗБ-печать, ЗБ-принтер, стерео-литография.

Процесс трехмерной печати являетсянепрерывным повторяющимся циклом изготовления конкретного объекта по его ЭБ-образцу на специальном ЭБ-принтере. Объемная модель заданного объекта создается при помощи компьютерной программы обычно в формате STL (англ. «stereolithography») и после этого передается на печатающее устройство.

Разработка аддитивного производства (добавления материала при изготовлении) началась в 80-х годы XX в., когда компания 3DSystems под руководством Ч. Халла начала использовать способ создания объекта на печатающем устройстве при помощи цифровых данных. Ч. Халл является основателем лазерной стереолитографии (SLA), а его фирма в 1988 году выпустила в производство усовершенствованную версию первого 3D-принтера - SLA-250. Первый монохромный ЭБ-принтер, работающий методом наплавления (FDM), был выпущен компанией Stratasys, созданной С. Крампом. Первый ЭБ-принтер для цветной печати SpectrumZ510 представила компания ZCorporation в 2005 году. В 2009 году появились 3D-принтеры для домашнего использования - CupCakeCNC от MakerBotIndustries. Они были достаточно простыми и печатали только небольшие объекты (рис. 1) [1].

Рис. 1. ЗБ-приншеры (1988, 2005 и 2009 гг.)

ЭБ-принтер функционирует аналогично обычному принтеру за исключением того, что из печатающей головки на платформу последовательно подается материал для изготовления модели со связующим веществом. Материал твердеет, и формируется готовое изделие. В процессе работы принтера платформа перемещается ниже на уровень выращенного слоя, лишний материал удаляется с рабочей поверхности (рис. 2). Печатная головка движется по горизонтали (оси X и У). Толщина слоя материала задается по вертикали (ось 7).

Печачощая ОсьХ

Рис. 2. Общая схема ЗБ-приншеров

После окончания печати готовое изделие извлекается. Материал, не вступивший в контакт со связующим веществом, можно использовать повторно. Для аддитивного процесса может применяться разнообразноесы-рье: металлы, бумага, пластмассы, полимеры, минералы и т.д. Разработаны принтеры, которые в процессе производственного цикла одномоментно используют несколько различных веществ, в том числе и разноцветных[2].

Аддитивные технологии непрерывно модифицируются и совершенствуются, различия между ними состоят в способахсоздания и соединения слоев. Рассмотрим наиболее широко использующиеся методы.

Фотополимеризационнаястереолитография (SLA) позволяет быстро получить заданную фигуру с помощью жидкого фотополимера, который затвердевает при направлении на него лазерного пучка (рис. 3, а). Большим

404

потенциалом обладает цифровая светодиодная проекция (DLP). В данном случае применяется фотополимерная смола, застывающая под УФ-излучением.

При экструзии, то есть выдавливании (FDM), изделие наплавляется из расплавленной термопластиковой нити, застывающей при охлаждении и принимающей заданную форму (рис. 3, б).

Метод избирательного лазерного спекания (SLS)позволяет получать формы из порошков металла, пластика и керамики, которые плавятся под воздействием лазера.

Генерируяэлектронные импульсы при использовании такого способа, как электронно-лучевая плавка (EBM), можно получить высокопрочные монолитные металлические детали путем послойной плавки порошкообразных материалов в вакуумной среде[3].

Трехмерные объекты также могут изготавливаться способом ламинирования (LOM) - слои материала накладываются послойно и склеиваются между собой, а нужный контур в них вырезается (рис. 3, в).

Рис. 3. Схемы принтеров: SLA (а), FDM (б) и LOM (в) [4, 5]

в

Преимуществамитрехмерной печати являются изготовление нужных деталей быстро (без промежуточных этапов), с малым количеством отходов. Это в свою очередь приводит к снижению расхода материалов. Также можно изготовить деталь с высокой точностью, любой конфигурации и размера, практически из любого вещества - пластика, полимера, минерала, керамики, металла, стекла (а также их комбинации). Необходимо отметить доступность и дешевизну пластика, что широко востребовано в различных отраслях производства. Объемная печать может с успехом заменить такие производственные процессы как литье или штамповка, поскольку не требует предварительного изготовления форм, шаблонов и трафаретов (рис. 4).Аддитивный производственный процесс способствует кастомизации - он предоставляет возможность ориентироваться на индивидуальных потребителей и выпускать уникальную продукцию. Заказ может быть выполнен в короткий срок (1-2 дня).

К недостаткам ЭБ-производства можно отнести дороговизну металлических и керамических расходных материалов, оборудования, значительные размеры используемых устройств, низкую производительность. В некоторых случаях невозможно сочетать одновременно различные материалы, производить цветную печать.

Рис. 4. Сравнениерентабельностипри аддитивном (АП) и традиционном (ТП) производствах

Определяющими факторами при подборе печатающего оборудования являются стоимость ЭБ-устройства и материалов, себестоимость продукции, возможность принтера осуществлять быструю печать. Цена на данный вид печати складывается из нескольких показателей: затраты на принтер и его обслуживание, на необходимые расходные материалы, аренду помещения и электроэнергию, заработную плату для обслуживающего персонала, работу с допечатным эскизом объекта, а также прибыль. Расчет себестоимости готового изделия должен учитывать дополнительные затраты расходных материалов, связанные с напечатанными поддержками и подложками, которые потом придется удалять.

406

Вид и цена материаланапрямую зависит от используемого на производстве 3Б-устройства.В частности, стоимость одного картриджа с пластиком для FDM-принтера может колебаться от 900 до 2 300 руб. и выше за 1 кг в зависимости от свойств пластика, диаметра и длины нити, а цена готового изделия - от 20-30 руб. за 1 г в соответствии с точностью печати (200 мкм, 100 мкм). Примерная цена жидкого фотополимера для SLA-принтеров равна 4 000 руб. за 1 л, стоимость изготовленной продукции рассчитывается от 100 руб. за 1 см3.Расходы на материалы для производства в среднем составляют всего 12 % от себестоимостиизделий, затраты на печатное оборудование колеблются от 45 до 75 %. Стоимость профессионального полноцветного принтера может составлять от 15 до 130 тыс. долл. Наиболее доступными по цене являются FDM-принтеры - устройст-водля домашнего использования возможно приобрести за 2...4 тыс. долл. С течением времени стоимость 3D-принтеров и их эксплуатации снижается, что приводит к снижению себестоимости выпускаемой продукции.

Экономически выгодно использовать 3D-печать для изготовления прототипов и образцов, а также сложных по форме деталей или изделий, выпускаемых небольшими партиями [6].

3D-печать находит свое применение в различных отраслях - в строительстве и архитектуре, машиностроении, промышленности (тяжелой, легкой, пищевой, нефтегазовой), производстве самолетов и космических ракет, автомобиле- и судостроении, биомедицине, стоматологии, радиотехнике, электронике, моделировании одежды, ювелирном деле, науке, искусстве, образовании и др. Около 80% всей выпускаемой с помощью трехмерной печати продукции - это прототипы и опытные образцы, мелкосерийное производство, товары медицинского назначения (протезы, им-планты), макеты зданий и сооружений, ювелирные изделия. 20% приходится на потребительские товары. 3D-печать обладает большим потенциалом и возможностями. Учитывая это, можно предсказать высокую востребованность и перспективность технологийаддитивной печати.

Среднегодовой темп роста данного рынка превышает 25%, ожидается, что через 5.10 лет его вклад в мировую экономику ежегодно будет составлять от 200 до 600 млрд долл. Снижение стоимости трехмерных принтеров приведет к массовому использованию данной технологии. Поэтому одной из ближайших задач является уменьшение цены на 3D-печатное оборудование.

Список литературы

1. Качество3D-принтеров и перспективы их эффективного применения [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://refleader.ru/igernayfsqasotr.html (дата обращения 25.09.2017).

2. Михайлова А.Е., ДошинаА.Д. 3D-принтер — технология будущего // Молодой ученый. 2015. №20. С. 40-44.

407

3. Аддитивное производство [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://www.3d-format.ru/catalog/additive/ (дата обращения: 28.09.2017).

4. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17. № 1.С. 7-12.

5. 3Б-печать для «чайников» или «что такое 3Б-принтер?» [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL:http://3dtoday.ru/wiki/3dprint basics (дата обращения: 08.10.2017).

6. Конников Е.А. Экономические аспекты конверсии производственных технологий // Молодой ученый. 2015. № 15. С. 385-391.

Голубничая Яна Романовна, магистрант, yana_tula@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., vippne@,mail. ru,Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE PROMISING TECHNOLOGYOF 3D-PRINTING Y.R. Golubnichaya,N.E. Proskuriakov

The article describes on the main stages in the history of three-dimensionalprinting and technology to create a specific object in its 3D model, questions of the feasibility of using 3D printers.

Key words: additive production, 3D-printing, 3D-printer, stereolithography.

Golubnichaya Yana Romanovna, postgraduate, yana_tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Proskuriakov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, vippne@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University