CC BY
142
УДК 675
Л. Л. Никитина, О. Е. Гаврилова
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 3Б-ПЕЧАТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: технология, 3D-печать, полимерные материалы, производство, изделия легкой промышленности.
Современные технологии 3D-печати находят широкое применение в мелкосерийном производстве различных отраслей промышленности, медицины и др. В статье рассматриваются существующие технологии, применяемые расходные полимерные материалы и перспективы создания моделей изделий легкой промышленности с применением данных технологий.
Keywords: technology, 3D-printing, polymeric materials, production, light industry products.
The modern 3D-printing technologies find broad application in small-scale production of various industries, medicine, etc. In article the existing technologies, the applied account polymeric materials and prospects of creation of light industry products with application of these technologies are considered.
Технологии 3Б-иечати находят широкое применение в промышленном мелкосерийном производстве, т.к. позволяют в кратчайшие сроки производить готовые детали или изделия из различных материалов; в ряде серийных производств для изготовления литьевых форм, например, пластиковых деталей; в пищевом производстве применяются 3Б-принтеры для изготовления кондитерских изделий из шоколада; в медицине для протезирования и производства имплантов; в строительстве зданий и сооружений; при проведении всевозможных проверок и тестов с использованием моделей; для изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки, что позволяет еще на этапе проектирования вносить корректировки в конструкцию узла или объекта в целом и способствует существенному снижению материальных и трудовых затрат на подготовку производства.
В настоящее время существуют различные способы 3Б-печати, основанные на принципе послойного создания материального объекта. В таблице 1 приведена характеристика известных технологий 3Б-печати [1].
Таблица 1 - Характеристика технологий 3Б-печати
Технология | Сущность технологического процесса
Лазерные технологии 3Б-печати
Лазерная сте-реолитография (англ. laser stereolithography , SLA) Объект формируется из жидкого фотополимера, затвердевающего под действием ультрафиолетового лазерного излучения, послойным «выращиванием» посредством погружения подвижной платформы в емкость с материалом
Облучение через маску (англ. solid ground curing, SGC) Технология отличается от БЬЛ-технологии применением излучения ультрафиолетовых ртутных ламп через фотошаблон, меняющийся с новым слоем
PolyJet Струи жидкого фотополимера образуют слои на модельном лотке. Нанесение слоя осуществляется распылением материала на поверхность. Слой полимера облучается ультрафиолетом, после чего процесс повторяется. Одновременно могут использоваться различные материалы, отличающиеся цветом, твердо-
стью и др.
Селективное лазерное спекание (англ. selective laser sintering, SLS, или direct metal laser sintering, DMLS) Объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл) путем его плавления под действием лазерного излучения. Температура рабочей камеры поддерживается на уровне немного ниже точки плавления рабочего материала, а для предотвращения окисления процесс проходит в бескислородной среде
Электроннолучевая плавка Аналогична технологии ВЬВ/ОМЬБ. Объект формируется плавлением металлического порошка благодаря электронному лучу в вакууме
Ламинирование (англ. laminated object manufacturing, LOM) Объект воссоздается послойным склеиванием тонких пленок материала с использованием нагрева, давления и дальнейшим вырезанием лазерным лучом или режущим инструментом на каждом слое соответствующих контуров сечений
Струйные технологии 3Б-печати
Застывание материала при охлаждении Раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопласта. Капли, быстро застывая и слипаясь друг с другом, формируют слои будущего объекта
Полимеризация фотополимерного пластика Данный способ похож на предыдущий, но отвердение пластика происходит под действием ультрафиолета
Склеивание или спекание Похож на лазерное спекание. Отличие -порошковый материал (измельченная бумага или целлюлоза) склеивается жидким веществом, поступающим из струйной головки. При этом возможно окрашивание объекта
Направление (FDM) Объект формируется послойной укладкой расплавленной нити из плавкого материала (пластика, металла, воска и т.п.)
Виртуальная 3Б-модель воссоздаваемого объекта проектируется при помощи САПР, поддерживающих управление 3Б-печатью. Для печати используют формат файла STL. Технологии 3Б-печати во многом определяются техническими особенностями 3Б-принтера, а в частности, устройством и расположением печатающей головки. Известны сле-
дующие варианты позиционирования печатающей головки в 3Б-принтерах: декартово, автономное, ручное. В первом случае в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели. При автономном - печатающая головка размещена на собственном подвижном шасси; конструкция передвигается целиком. Ручной вариант предусматривает выполнение печатающей головки в виде ручки, выделяющей из наконечника быстро затвердевающий материал (термополимер или фотополимер, отвер-ждаемый ультрафиолетовым излучением). Данный прибор называют «3Б-ручка». К 3Б-принтерам его относят условно.
Изделия легкой промышленности многообразны и изготавливаются из различных материалов. В данном контексте изделия могут различаться по основному назначению, сложности формы, по структуре. Так, ряд изделий представляют собой сложные многослойные динамичные системы, имеющие сложную неразворачиваемую форму и сложную структуру пакета материалов, например такие, как обувь и одежда, другие представляют собой многослойные статические системы, которые служат в качестве наглядных, экспериментальных образцов (макеты обуви, декора и т.п.) и функциональные изделия, например такие, как головные уборы, сумки, чемоданы и пр. Все изделия обладают только им присущим комплексом свойств, обусловленных формой, размерами, пропорциями, материалами, особенностями технического исполнения. Комплекс свойств задается на этапах проектирования, начиная от технического задания, заканчивая техническим проектом.
Технологии 3Б-печати могут быть использованы, как на отдельных этапах проектирования изделий легкой промышленности, так и непосредственно в процессе их производства. На этапе эскизного проектирования при помощи 3Б-печати может производиться оценка заданных эстетических и эргономических свойств. При необходимости при помощи 3Б-печати можно изготовить сложную дизайнерскую фурнитуру или форму в целом, например дизайнерский эксклюзивный клатч или чемодан. На сегодняшний день существует дизайнерское платье, изготовленное из закаленного порошкообразного нейлона при помощи 3Б-принтера по эскизу М.Шмидта. Полученный материал имеет сетчатую структуру, обеспечивает свободу движений, необходимую эластичность, оригинальный внешний вид. Современный этап развития технологий 3Б-печати позволяет получать эксклюзивные изделия, имея в качестве исходной информации необходимый эскиз. Перспективы развития 3Б-печати связаны, прежде всего, еще и с расширением возможностей применения материалов для воссоздания проектируемых объектов. Стремительное развитие технологий 3Б-печати привело к существенному расширению ассортимента расходных (рабочих) материалов для печати, большей частью пластмасс. В таблице 2 приведены отличительные свойства основных полимерных материалов, применяемых в 3Б-печати.
Таблица 2 - Свойства полимерных материалов для ЭБ-печати
Материал Положительные свойства Отрицательные свойства
1 2 3
АБС-пластик Отсутствует запах, нетоксичен, ударопрочен, эластичен. Температура плавления 240 -248°С. Изделия долговечны Позволяет изготавливать только непрозрачные объекты. Изделия не переносят прямых солнечных лучей
Акрил Позволяет изготавливать прозрачные изделия Быстро остывает и твердеет. Возможно образование воздушных пузырьков в изделии
Нейлон Высокая способность впитывания влаги. Изделия менее жесткие, чем из АБС-пластика. Температура плавления около 320°С, что требует повышенных энергозатрат. Процесс требует откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона, экструдер оснащается шипами из-за скользкости нейлона
Полика-пролактон Температура плавления около 60°С. Высокая прочность, хорошие механические свойства изделий. Безопасен, быстро разлагается на безвредные компоненты -
Полифе-нилсуль-фон Хорошие механические и диэлектрические свойства. Высокая твердость, ударопроч-ность. Огнестоек, устойчив к пару, химически стоек, стоек к растворителям, кислотам и щелочам, физиологически инертен. Прочнее стекла, выдерживает кратковременный нагрев до 220°С Температура плавления 340 - 370°С. Высокая прочность затрудняет полировку после печати, существует риск растрескивания материала. При воздействии открытого пламени выделяются вредные вещества. Печать возможна только на профессиональных 3Б-принтерах
Полиэтилен низкого давления Может быть использован в любой технологии 3Б-печати
Полипропилен Легок, относительно стоек к истиранию, деформируется при отрицательных температурах В сравнении с полиэтиленом низкого давления хуже плавится. Уязвим к активному кислороду
Фотополимерные смолы Высокое разрешение печати (на толщину слоя до 0,025 мм). Не требуется дополнительная обработка поверхности. Широкий диапазон механических и физических свойств (гибкость - твердость, прозрачность - светонепроницаемость). Позволяют осуществлять печать многокомпонентных деталей Высокая стоимость, сложность печати, большой размер принтеров
Окончание таблицы 2
1
ПВА-пластик
Поликарбонат
2
Растворимость в воде. Возможность комбинирования с другими видами пластика, используется в качестве разделителя при печати составных деталей. Можно использовать в домашних ЕБМ-
принтерах, оснащенных двумя печатающими головками
Светонепроницаем, прочен, прозрачен. Сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур: от минус 40 до плюс 120°С. Применяется для печати сверхпрочных моделей. Совместим с АБС- и ПЛА-пластиками и позволяет создавать модели из комбинированных материалов.
Высокая температура плавления. Высокая гигроскопичность, что может привести к потере прозрачности и образованию белесо-матовой негладкой поверхности, в структуре могут наблюдаться пузырьки.
Как видно из таблицы 2, ассортимент полимерных материалов, применяемых в 3Б-печати, довольно обширен. Однако, возможность варьирования в широком диапазоне свойств данных материалов может расширить область применения технологий 3Б-печати.
Наиболее востребованными видами пластмасс для 3Б-печати являются АБС- и ПЛА- пластики. АБС-пластик на ряду с достаточно хорошими эксплуатационными характеристиками (ударопрочен, эластичен, влагостоек, нетоксичен, устойчив к влиянию щелочей, масел и моющих средств, и может выдерживать нагрев до 100°С) и технологическими (подвергается вторичной переработке) имеет саму низкую стоимость. Достоинства АБС-пластика заключаются в простоте обработки, легкости окрашивания в различные цвета на стадии производства, износостойкости. Он имеет повышенную ударопроч-ность и эластичность, не боится кислот, щелочей, масел, влаги, отлично моется, не токсичен. Отлично переносит низкие температуры до -40°С. К недостаткам можно отнести возможность выгорания цвета под длительным нахождением под ультрафиолетовым излучением [2]. Преимуществом АБС-пластика является то обстоятельство, что его стоимость гораздо ниже (примерно в два раза) ПЛА-пластика.
АБС-пластик находит широкое применение в производстве так называемых пластиковых чемоданов, представляющих собой цельный корпус без швов. Их отличает легкость, жесткость и прочность корпуса. Также пластиковые чемоданы производят из поликарбоната и полипропилена. Поликарбонат
прочен (в 200 раз прочнее стекла), надёжен, долговечен, в два раз легче стекла (в монолитной конструкции), устойчив к воздействию агрессивных сред. Поликарбонат позволяет уменьшить толщину стенки чемодана в сравнении с АБС-пластиком при сохранении той же прочности. Полипропилен стоек к многократным изгибам, износостоек, устойчив к ультрафиолетовому излучению, морозостоек, стоек к агрессивным жидкостям и средам, стоек к истиранию.
В то же время, конструкция пластикового чемодана, предусматривающая монолитность двух частей его корпуса, также обеспечивает возможность их изготовления при помощи 3Б-печати. 3Б-печать позволит изготавливать единичные модели оригинальных форм по индивидуальным заказам потребителя. Похожую жесткую форму имеют различные виды нарядных женских сумочек, для которых особенно актуальны высокие эстетические свойства и эксклюзивность модели.
Полиэтилен и полипропилен, акрил и т.д. применяются в легкой промышленности для изготовления фурнитуры, что связано с их малой плотностью при оптимальной прочности, низкой электрической и тепловой проводимостью, влагостойкостью, стойкостью к воздействию сильных кислот и оснований, повышенными показателями упругой деформации. Их основные механические характеристики те же, что и для металлов, - плотность, предел прочности, твердость. Технологии 3Б-печати позволяют изготовить пробные образцы фурнитуры оригинальной дизайнерской формы, экспериментальную малую партию из модифицированных полимерных материалов.
Используемые расходные материалы и технологии 3Б-печати обеспечивают технологическую возможность вторичной переработки сырья, что особенно важно для повышения показателей экономичности практически всех видов изделий легкой промышленности. Таким образом, очевидны перспективы внедрения технологий 3Б-печати в различные сферы производств легкой промышленности. Развитие производства оборудования для 3Б-печати, снижение его стоимости будут способствовать расширению областей применения технологий 3Б-печати в процессах изготовления изделий легкой промышленности.
Литература
1. Коваленко Р.В. Современные полимерные материалы и технологии 3Б печати / Р.В. Коваленко // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18, № 1. - С. 263-266.
2. Никитина Л.Л. Проблемы и перспективы производства кожгалантерейных изделий из полимерных материалов. Часть 2 / Л.Л.Никитина, О.Е.Гаврилова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 13. - С. 116-119.
© Л. Л. Никитина - канд. пед. наук, доцент кафедры конструирования одежды и обуви КНИТУ, naik@bk.ru, О. Е. Гаврило-ва - канд. пед. наук, доцент той же кафедры, oegavrilova@mail.ru.
© L. L. Nikitina - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university», naik@bk.ru; O. E. Gavrilova - edging. ped. sciences, associate professor of department «Designing of clothes and footwear», «The Kazan national research technological university», oegavrilova@mail.ru.
3
