CC BY
48
INFORMA TION AND MEASUREMENT SYSTEM FOR THE ANALYSIS OF THE PSYCHOPHYSIOLOGICAL STA TE HUMAN OPERA TOR
N. V. Ivakhno, O.A. Lazareva, A. V. Gladkikh
A method for constructing a system for assessing the psychophysiological state of a human operator is proposed, based on the analysis of data from the cardiovascular and respiratory systems under dynamic loading by testing tasks. The results of experimental studies are presented, as a result of which the transient characteristics of changes in the selected physiological parameters during the passage of a person's psychological load are constructed.
Key words: pulse dynamics, respiratory rate, decision-making, human operator, tracking failure, reliability of the assessment.
Ivakho Natalia Valerievna, doctor of technical science, prof, natalia_iv@,list. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Lazareva Olga Alexandrovna, student, ol9ala. lazareva@yandex. ru, Russia, Lomon-osov Moscow State University,
Gladkikh Anton Viktorovich, head of Department, natalia_iv@,list. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 621.74.045
СРАВНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ ПЕЧАТАТЬ
ВОСКОПОДОБНЫМ МАТЕРИАЛОМ
ВВ. Дикарева, П. А. Петров
В статье представлено сравнение существующих технологий 3D-печати, позволяющих изготавливать изделия из воскоподобного материала. Произведен анализ ключевых потребительских ценностей, выделены преимущества применения различных технологий и их области применения.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, восковка, выплавляемая мастер-модель, технология ЛВМ, воскоподобный пластик для 3D-печати.
Аддитивное производство - это общий термин, который охватывает различные технологии ЭБ-печати, основанные на процессах, таких как экструзия материала, струйное нанесение материала, прямой подвод энергии и материала, синтез на подложке, листовая ламинация, фотополимеризация в ванне [1]. Некоторые из этих процессов можно использовать для ЭБ-печати воском и применять в технологии литья по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Материал, используемый для восковой ЭБ-печати, на самом деле не является чистым натуральным воском. Тем не менее, он имеет физические свойства, аналогичные воску и может называться воскоподобным. Данный материал может быть представлен в виде, подходящем для разных технологий печати [2].
Цель данной работы: провести сравнительный анализ существующих аддитивных технологий в контексте изготовления мастер-моделей для литья по выплавляемым моделям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
408
1. Сделать обзор аддитивных технологий, работающих с воскоподобным материалом.
2. Выделить преимущества и недостатки технологий, а также сферу их применения.
3. Произвести анализ ключевых потребительских ценностей (MPV-анализ).
Изготовить методом аддитивного производства воскоподобные мастер-модели
возможно, используя несколько различных технологий 3D-печати. Каждая из технологий актуальна для определенной ниши и рассчитана на удовлетворение потребительских запросов конкретного производства.
В настоящее время известны несколько аддитивных технологий изготовления восковок - MJM (MJP), DODJet, FFF/FDM.
Самые распространенные в настоящее время технологии 3D-печати Fused Deposition Modeling (FDM) и Fused Filament Fabrication (FFF), принцип работы которых идентичен, позволяют получать воскоподобные детали путем послойного наплавления материала в виде филамента (нити твердого термопластичного материала) по заданной траектории, описанной на языке программирования G-code. Типовая конструкция такого принтера представлена на рис. 1.
Нить подводится Катушка с материалом
Печатающая головка и/или стол двигаются по X/Y/Z, чтобы положить материал по заданным координатам
Рис. 1. Принцип работы FFF(FDM)-npuumepa [3]
Самым главным преимуществом технологии FFF для печати восковок является низкая стоимость принтера и материала, по сравнению с другими технологиями 3D-печати. Стоимость FFF-принтера от компании «Picaso 3D», который работает с воскоподобным филаментом «Designer X Pro» 299 000 руб. [4]. Единственным российским производителем воскоподобного материала для FFF-печати является «Filamentamo!». Стоимость катушки воскоподобного филамента «WAX3D Base» массой 2000 г составляет 5000 руб. [5].
Компания «Picaso 3D» заявляет, что при печати «WAX3D Base» на внутренних тестах было выявлено лучшее качество печати при использовании сопла диаметром 0,8 мм и высоте слоя 0.2 мм. При уменьшении высоты слоя, возможно снижение качества печати. Точность печати по XY составляет: 0,011 мм; по Z - 0.00125 мм. Но, чтобы получить 100% соответствие между 3D-моделью и напечатанной деталью, при создании 3D-модели необходимо учитывать усадку материала. Усадка материала вполне может являться причиной искажения заявленных значений геометрической точности.
«Picaso Designer X Pro» имеет два экструдера, что позволяет печатать саму деталь и поддержку материалами с разной температурой плавления. Деталь печатается воском с более высокой температурой плавления, поддержка — воском с более низкой температурой. Это позволяет легко удалять поддержки, нагревая заготовку до определенной температуры. Однако, если использовать принтер с одним соплом и, соответ-
ственно, с одинаковым составом основного и поддерживающего материалов, то процесс пост-обработки напечатанной восковой мастер-модели (восковки) будет являться трудозатратным. Отделять материал поддержки придется вручную, а воскоподобный материал деформируется от механического/теплового взаимодействия с человеком, таким образом, весьма вероятна деформация основного материала и, как следствие, брак конечной восковой детали.
Если литейное производство оборудовано бойлерклавом для вытапливания восковок из классических модельных восковых составов, менять традиционную технологию ЛВМ не потребуется. Литники и выпоры приклеиваются к восковке из Wax3D так же хорошо, как и к моделям из восковых составов. Формование корки происходит так же легко и по той же технологии. Хорошим плюсом, который оценили литейщики, является и довольно высокая прочность и гибкость таких восковок. В отличие от восковок, выполненных из модельных восков, отпечатанные из Wax3D можно уронить больше одного раза [6].
Нельзя не отметить относительно высокую скорость печати по данной технологии. При учете, что скорость FFF-принтеров варьируется от 30 до 150 мм/сек, для получения небольшой модели средней сложности потребуется от трех до одиннадцати часов [7], т.е. менее, чем за один день может быть изготовлена как минимум одна восковка без какой-либо существенной подготовки производства и при наличии только одной единицы оборудования - 3D-принтера. Важно учитывать, что колебания температуры во время печати могут привести к некачественной печати из-за особенностей воскоподобного филамента.
Из наиболее подходящей сферы применения 3D-печати воскоподобного пластика по технологии FFF можно выделить машиностроение, а именно штучное и мелкосерийное производство машиностроительных деталей по технологии ЛВМ.
Следующей технологией, позволяющей печатать воскоподобные модели, является Multi Jet modeling (MJM), основанная на подаче модельного материала и материала поддерживающей структуры посредством многосопельной печатающей головки; позволяет изготавливать изделия из фотополимеров разных композиций и воскоподобного материала. Технология MJM используется в 3D-принтерах компании «3D Systems» серии «ProJet».
Печатающая головка в принтерах серии «ProJet» содержит несколько рядов (от 96 до 448) линейно расположенных сопел, которые наносят мельчайшими каплями модельный материал. Печатающий блок движется вдоль рабочей поверхности и наносит слой за слоем жидкий фотополимер с высоким содержанием синтетического воска. Отверждение нанесенных слоёв материала материла происходит путем воздействия на них УФ-излучением от специальной лампы, встроенной в печатающую головку. Таким образом, формируется изделие (рис. 2) [8].
Рис. 2. Принцип работы MJM-принтера [9]
410
Особенность принципа работы данной технологии позволяет создавать исключительно детализированные объекты с толщиной слоя до 16 мкм. Однако, оборудование, реализующее MJM, является довольно дорогостоящим. ЭБ-принтер с рабочей камерой 295x211x142 мм «Projet MJP 2500 W» стоит от 4,7 млн.рублей [10].
Также как и принтеры серии «Projet», используемый модельный материал (основной) «VisiJet M2 ICast» является весьма недешевым 91 80Э руб. [11], одновременно с основным необходим также и поддерживающий материал - «VisiJet S300» стоимостью 55 920 руб. [10]
Пост-обработка отпечатанной восковки происходит путем выплавления поддерживающего материала при температуре примерно 60 °С. Для повышения качества поверхности изделия после пост-обработки требуется дополнительная обработка в ультразвуковой ванне [12].
Заявленная размерная точность оборудования на сайте производителя [13] ±0,0508 мм/25.4 мм. «Projet MJP 2500 IC» обеспечивает не только высокую точность напечатанного изделия, но и высокую скорость построения изделий - до 205 смЭ/ч. [10]
Восковая мастер-модель, изготовленная по технологии MJM, не отличается по параметрам выплавления от традиционной. Таким образом, эта аддитивная технология также как и FFF/FDM беспрепятственно интегрируется в существующие процессы ЛВМ.
Данные машины широко применяются в производстве элементов бытовой электроники; комплектующих для авиакосмической промышленности и энергетики; архитектурных моделей; деталей медицинских приборов; деталей автомобилей; предметов коллекционирования и так далее. Наиболее распространенная область применения принтеров серии «Projet», работающих с восковым материалом - ювелирная промышленность.
Следующая технология воскоподобной печати, Drop-On-Demand-Jet (DODJet), используется в 3D-принтераx торговой марки «Solidscape» (компания Solidscape Inc., входит в состав PRODWAYS GROUP) [18]. Послойное построение происходит за счет одновременного напыления капель расплавленных модельного и поддерживающего материалов в печатающей головке и дальнейшего прохода фрезерной головки, обеспечивающую выравнивание сформированного тонкого слоя (рис. Э).
Рис. 3. Принцип работы DODJet-принтера [14]
Стоимость оборудования на компактную модель принтера «3Zstudio» - 1976 059,00 рублей. Самая производительная модель в линейке высокоточных восковых 3D-принтеров «Solidscape» - принтер «3ZMax2» стоимостью 4251522,00 рублей позволяющий изготовить восковки размером до 150x150x100 мм. [15].
В качестве расходных материалов для печати по технологии DODJet применяют специальный модельный «Solidscape Midas» стоимостью 16262,00 рублей за 360г (10 восковых картриджей) и поддерживающий материал «Solidscape Melt» стоимостью 14144,00 рублей за 230г (10 картриджей) [16].
Материал поддержки растворим в специальном растворе «VSO», что делает пост-обработку изделия простой и быстрой, а также позволяет печатать изделия любой сложности геометрии [17].
Эта технология является наиболее точной как по размерам отпечатанного изделия из-за низкой усадки материала (±0,0254 мм/25,4мм), так и по толщине слоя (от 6 мкм). DODJet позволяет получить восковки высокого качества с идеально гладкой поверхностью. Однако, основным недостатком технологии DODJet является крайне низкая скорость печати, обусловленная сложностью процесса.
DODJet-принтеры нашли своё применение в ювелирной промышленности, а также в стоматологии, точном машиностроении, производстве лопаток турбин, биомедицине [15]. Причем, в ювелирной промышленности DODJet-принтеры в чём конкурируют с SD-фрезерными станками.
Основываясь на выполненном анализе, было проведено сравнение существующих технологий SD-печати, позволяющих изготавливать восковки. Для сравнительного анализа (MPV-анализ) выделили несколько ключевых потребительских ценностей: бюджет оборудования и расходных материалов, сложность (трудоёмкость) постобработки, точность печати, а также необходимость перестраивания традиционного цикла ЛВМ. На графике (рис. 4) представлена оценка анализируемых технологий по 10-бальной шкале для каждого из выделенных параметров. Оценка носит экспертный характер. Для наглядности визуализации цветом на графике обозначены сравниваемые технологии: MJM (оранжевая линия), DoDJet (желтая линия) и FDM (зеленая линия).
бюджет оборудования
-МШ(М)Р) -ЦСЮМ -
Рис. 4. МРУ- анализ технологий восковой печати
У каждой технологии существуют свои преимущества и недостатки, отвечающие конкретным запросам потребителей и сегментам рынка, в которых наблюдается повышенный спрос на применение восковок. В частности, технология БоБ^ и М1М отлично себя зарекомендовали в ювелирном производстве, обеспечивая изготовление компактных изделий с высокой степенью детализации. В машиностроении технологии менее популярны для изготовления восковок, что, по всей видимости, связано с невостребованностью избыточной детализации и высокой точности при производстве машиностроительных деталей.
Стоит отметить, что ББМ-технология в сравнении с технологиями БоБ^ и М1М, значительно дешевле; обеспечивает изготовление деталей с точностью от 200 мкм, что по экспертным оценкам является достаточным для изготовления машиностроительных деталей. Проанализированные технологии являются конкурирующими; имеют свои ниши на рынке аддитивного производства восковок.
Появление на рынке аддитивного производства новых расходных материалов для FDM-технологии - воскоподобных материалов - открывает новые горизонты развития известной аддитивной технологии.
Список литературы
1. ГОСТ Р 57558-2017/IS0/ASTM 52900:2015. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения.
2. Wax 3D Printing - How To 3D Print Wax [Электронный ресурс] URL: https://all3dp.eom/2/wax-3d-printing-how-to-3d-print-wax/ (дата обращения: 29.01.2021).
3. Как устроен FFF(FDM) 3d принтер? Часть 1 [Электронный ресурс] URL: https://3d-daily.ru/technology/3dprinter-components-part1.html (дата обращения: 29.01.2021).
4. Picaso 3D Disigner X Pro [Электронный ресурс] URL: https://picaso-3 d. com/ru/products/printers/desi gner-x-pro/ (дата обращения: 29.01.2021).
5. Filamentarno! Для инженеров и мечтателей [Электронный ресурс] URL: https://filamentarno.ru/catalog.html (дата обращения: 29.01.2021).
6. Wax3D. Из чертежа в металл [Электронный ресурс] URL: https://3dtoday.ru/blogs/filamentarno/wax3d-printing-wax-models-for-casting-in-fdm-3d-printer (дата обращения: 29.01.2021).
7. Самый быстрый 3D-принтер и почему он вам не нужен [Электронный ресурс] URL: https://top3dshop.ru/blog/high-speed-3d-printer.html (дата обращения: 29.01.2021).
8. 3D Printing: Additive Manufacturing Part 3 [Электронный ресурс] URL: https://hearinghealthmatters.org/waynesworld/2017/3d-printing-pa/ (дата обращения: 29.01.2021).
9. Технология 3D-печати MJM (Multi Jet Modeling) [Электронный ресурс] URL: https://3d.globatek.ru/3d printing technologies/mjm/ (дата обращения: 29.01.2021).
10. 3D-принтер 3D Systems ProJet MJP 2500 IC [Электронный ресурс] URL: https://3d.globatek.ru/3d-printers/ProJet MJP 2500 IC/ (дата обращения: 29.01.2021).
11. Материал VisiJet M2 CAST RealWax [Электронный ресурс] URL: http s: // store .3d.ru/rasshodnye_m ateri aly/kompl ekt_raskhodnykh_materi al ov_vi sij et_m2_cast
realwax 1 17 kg/ (дата обращения: 29.01.2021).
12. Технологии 3D-печати: многоструйное моделирование [Электронный ресурс] URL: https://blog.iqb.ru/mjp-technology/ (дата обращения: 29.01.2021).
13. Solve Complex Engineering Problems with Additive Manufacturing [Электронный ресурс] URL: https://www.3dsystems.com/ (дата обращения: 29.01.2021).
14. DODJet - печать на основе напыления материала [Электронный ресурс] URL: http://www.3d-format.ru/technologies/dodjet/ (дата обращения: 29.01.2021).
15. 3ZMax2 [Электронный ресурс] URL: http://www. 3d- format.ru/ catalog/ 3dprinters/solidscape/3ZMax2.prod (дата обращения: 29.01.2021).
16. 3D Printer Materials. Wax build and Dissolvable support [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: https://www.solidscape.com/3d-printing-materials/wax/ (дата обращения: 29.01.2021).
17. The Big Jewelry Reveal at NHIA [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: https://www.solidscape.com/the-big-jewelry-reveal-at-nhia/ (дата обращения: 29.01.2021).
18. Prodways Group acquires Solidscape, a subsidiary of Stratasys [Электронный ресурс] URL: Режим доступа: https://www.solidscape.com/news/prodways-group-acquires-solidscape-a-subsidiary-of-stratasys/ (дата обращения: 29.01.2021).
Петров Павел Александрович канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, petrov p a mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Дикарева Валерия Витальевна, студент, vaaleri@bk.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
COMPARISON OF ADDITIVE TECHNOLOGIES ALLOWING PRINTING WITH WAX-LIKE
MATERIAL
V.V. Dikareva, P.A. Petrov
The article presents a comparison of existing 3D-printing technologies that allow manufacturing products from wax-like material. The analysis of key consumer values is made, the advantages of the use of different technologies and their areas of application are highlighted.
Key words: additive technologies, 3D-printing, wax model, lost wax casting, waxlike filament for 3D-printing.
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, petrov_p@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Dikareva Valeria Vitalievna, student, vaaleri@bk.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 004.588; 62.512
РАССЕЯНИЕ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ОТ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
М.С. Ивлиева
Рассмотрены вопросы, касающиеся процессов загрязнения резинотехнических предприятий. Выявлены связи между составом выбросов в атмосферу и технологическими процессами, между полями концентрациями и исходным набором начальных параметров. Рассмотрена математическая модель процессов рассеивания загрязняющих веществ. Показана значимость построения математической модели рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере в рамках проектировании резинотехнических предприятий.
Ключевые слова: рассеяние, конвективно-турбулентный диффузный перенос, закон Фика.
При изготовлении и переработке изделий из резины выделяются многокомпонентные смеси, содержащие вредные газы и пыль.
Загрязнение воздуха приземного слоя атмосферы от предприятий по переработке резинотехнических отходов происходит в результате пылегазовых выбросов, являющихся следствием различных технологических процессов, которые практически все являются источников выделения вредных веществ. К таким операциям относят хранение резинотехнических отходов (РТИ), взвешивание, транспортировка, вулканизация и девулканизация, пластикация, смешение, формование (каландрирование, шприцевание, прессование).
414
