CC BY
24
УДК 62-184
Дровосекова Т.И., к техн. н.
доцент
кафедра «Управление в технических системах»
Воронин А.Ю., к. техн. н.
доцент
кафедра «Управление в технических системах»
Зверко Е.К. студент 4 курса факультет «Инженерный факультет» Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ
Россия, г. Пятигорск СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 3D ПРИНТЕРОВ
В настоящее время на рынке присутствует большое количество предложений 3D принтеров. Основными критериями выбора таких устройств являются стоимость, открытость программного и аппаратного обеспечения, возможность модернизации и ремонта, простота обслуживания и минимальная цена расходных материалов при наличии достаточного уровня надежной и точной работы. В статье приведен сравнительный анализ принтеров, выявлены сильные и слабые стороны каждого из них.
Ключевые слова: 3D принтер, стереолитограф, фотополимер.
Dvorosekova T.I., candidate of technical sciences, associate professor Assistant Professor of the Department "Management in Technical
Systems"
Institute of Service, Tourism and Design (branch) of SKFU
Russia, Pyatigorsk
Voronin A. Yu., candidate of technical sciences, associate professor. Assistant Professor of the Department "Management in Technical
Systems"
Institute of Service, Tourism and Design (branch) of SKFU
Russia, Pyatigorsk Zverko E.K. student
4 year, Faculty of Engineering Faculty
Institute of Service, Tourism and Design (branch) of SKFU
Russia, Pyatigorsk COMPARATIVE ANALYSIS OF 3D PRINTERS
3D present in the market there is a large number of offers of 3D printers. The main criteria for choosing such devices are cost, openness of software and hardware, the possibility of modernization and repair, ease of maintenance and the minimum price of consumables, provided there is a sufficient level of reliable and accurate operation. The article provides a comparative analysis of printers,
identified strengths and weaknesses of each
Key words: 3D printer, stereolithograph, photopolymer.
Еще в 80-х годах были первые попытки создания технологии трехмерной печати. В то время был стереолитограф, с помощью которого можно было создавать BD-объекты из жидкого фотополимерного пластика. Технология в таком оборудовании основывается на свойствах фотополимеров - под воздействием лазера он застывает, приобретая твердую форму пластика.
После долгих лет попыток в 2005 году был создан первый 3D принтер, который был способен печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.
3D-принтер - это устройство, позволяющее создавать любимые предметы из разных материалов. К примеру, полка для розетки, подстаканники с геометрическими узорами, насадка душа, еду.
3D-принтер (рис. 1) состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6).
Рис. 1. принтер
Технология 3Э принтера (рис. 2) представлена так, нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2), в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер (2), который перемещается по направляющим (3) и наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге ваше изделие (5) растёт слой за слоем.
Рис. 2. Технология 3D принтера
Расходные материалы (филаменты) для 3D-принтеров - пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов и свойств [1]. Стоимость этой катушки выходит около 500 рублей, но расходный материал такой, как древесина уже будет стоить в несколько раз дороже.
Технологии не стоят месте, было создано великое множество 3D-принтеров, которые применяются в разных сферах в зависимости от потребителей.
ТЕХНОЛОГИЯ SLA
Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает (рис. 3).
В качестве фотополимера используется полупрозрачный материал, который деформируется под действием атмосферной влаги.
После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию [2]. Рабочий стол (элеватор) находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.
РИС. 3. 3D ПРИНТЕР ТЕХНОЛОГИИ SLA
Преимущество такого принтера - высокая точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять, лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении.
Недостаток такой технологии - высокая стоимость из-за высокой цены расходных материалов.
ТЕХНОЛОГИЯ SLS
Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча - оно же SLS (рис. 4) — единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья.
Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. В SLS технологии используются материалы, близкие по свойствам к маркам конечного продукта: керамика, порошковый пластик, металл [3].
Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.
Рис. 4. 3D принтер технологии SLS
Преимущества данной технологии заключается в том, что готовая продукция получается прочной, точно построенной. Так же из-за больших камер для построения, можно изготавливать большие изделия или целые партии объектов за одну печать, так же безотходное производство [4].
Недостатки: высокая стоимость расходных материалов и оборудования.
ТЕХНОЛОГИЯ DLP
Технология DLP (рис. 5) - новичок на рынке трехмерной печати. Стереолитографические печатные аппараты сегодня позиционируются, как основная альтернатива FDM оборудованию. Принтеры данного типа используют технологию цифровой обработки светом. Вместо пластиковой нити и нагревающей головки для создания трехмерных фигур используются фотополимерные смолы и DLP-проектор.
I
envisionTEC
Рис. 5. 3D принтер технологии DLP
Как и стандартные стереолитографические устройства, DLP-принтеры имеют высокие показатели точности печати - минимальная толщина слоя может достигать 15 микрон с использованием существующих установок.
Практически же, разрешение находится в обратной зависимости от скорости наслоения - технология позволяет достигать и более высоких
показателей точности ценой снижения скорости печати. Расходные материалы, а именно фотополимерные смолы, имеют высокий диапазон механических характеристик: возможны имитаторы в диапазоне от твердых пластиков до резины [5]. Как правило, печать осуществляется материалом одного цвета, но ограничений палитры не существует.
Основным недостатком метода DLP, как и SLA, является относительно высокая стоимость расходных материалов.
Масочная стереолитография (SGC)
Масочная стереолитография (SGC) (рис. 6) - метод аддитивного производства, во многом схожий с технологией печати методом цифровой светодиодной проекции (DLP).
Рис. 6. 3D принтер технологии SGC
Основным преимуществом SGC является отсутствие необходимости в построении поддерживающих структур, как в случае с такими стереолитографическими методами, как SLA или DLP. В дополнение к высокому разрешению по горизонтали, механическая обработка каждого наносимого слоя позволяет добиваться высокой точности по оси Z. Наконец, технология отличается достаточно высокой производительностью за счет одновременного облучения целых слоев.
Среди недостатков следует отметить достаточно высокую шумность и большое количество отходов, повышающее себестоимость печати. Сами же установки достаточно дороги ввиду сложности конструкции. В последнее время метод SGC почти не используется, а его вариация FTI стала практически неотличима от цифровой светодиодной печати (DLP) ввиду внедрения цифровых проекторов.
Цветная струйная печать (CJP)
Цветная струйная печать (CJP) (рис. 7) - разновидность струйной трехмерной печати (3DP), фирменная технология компании 3D Systems.
Технология цветной струйной печати (CJP) применяется в основном для прототипирования изделий сложной геометрической формы и цветовой
гаммы, а также для производства мелкосерийных партий готовых изделий [6]. Метод применяется в медицине, промышленном дизайне, образовании, архитектурном дизайне и даже в кукольной мультипликации.
Рис. 7. 3D принтер технологии CJP
Преимущества - универсальна в части создания цветных моделей, простата настройки подключения к офисной техники, в 5-10 раз быстрее, тихие, безопасные и без запаха
Недостаток - стоимость принтеров высокая, поэтому доступна лишь сегменту профессионального использования (бизнес, наука, образование и прочее).
Струйная трехмерная печать (3DP)
Струйная трехмерная печать (3DP) - один из старейших методов аддитивного производства. Эта технология была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 1993 году.
Технология 3DP пользуется широкой популярностью и применяется в самых различных отраслях, зачастую теряя свое оригинальное обозначение. Так, в сфере биопечати используется вариант технологии, известный как «капельная/струйная печать» или DOD. Этот метод применяется для послойного нанесения живых клеток с целью построения органических тканей.
Одним из наиболее ярких методов применения 3DP стало создание кондитерских принтеров ChefJet, строящих трехмерные съедобные модели из сахаросодержащих продуктов, склеивая частицы материала водой, наподобие оригинальных «гипсовых» принтеров.
Наряду с высокой универсальностью в плане используемых материалов, метод 3DP отличается отсутствием необходимости печати опорных структур. Такие популярные методы, как FDM или SLA требуют постройки дополнительных элементов, называемых «опорами» или «поддержками» для стабилизации навесных элементов печатаемых моделей. В противном случае существует реальная возможность провисания слоев и деформации моделей, а в крайних случаях печать вообще невозможна ввиду отсутствия необходимой опорной поверхности. В случае с 3DP необходимость создания опорных структур отпадает, так как каждый слой
порошка служит естественной опорой для следующего слоя. Стоить отметить и экономичность технологии: остаточный порошок может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован в следующем производственном цикле.
Выборочная лазерная плавка (SLM)
Выборочная лазерная плавка (SLM) - метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков.
Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в одном объекте полезна при создании имплантатов - например, ацетабулярных чашек или других ортопедических имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции (сращиванию с костной тканью). Кроме того, SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется. Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством.
Преимущества SLM:
• технология позволяет создавать детали самой замысловатой формы, часто со стенками минимальной толщины и с множеством полостей;
• в рамках одной модели допускается комбинирование пористых и монолитных сплавов. Эта возможность удобна при изготовлении имплантатов. Поэтому ее активно применяют в ортопедии. Например, по технологии БЬМ выплавляются ацетабулярные чашки с рыхлой поверхностью, которая необходима для срастания с костью;
• лазерную сварку используют в самолетостроении и в космической сфере, ведь на ее основе производятся высокопрочные цельные детали, которые невозможно сделать обычным способом, вырезанием или фрезерованием, так как этому противоречит их конструктивная сложность;
• уровень качества полученных в результате лазерной плавки объектов чрезвычайно высок. Поэтому последующая доработка изделий не нужна.
Однако американские исследователи космической сферы отмечают, что элементы моторов для ракет, выплавленные из никеля по технологии SLM, немного слабее в плане плотности деталей, которые произведены цельным литьем с классической сваркой частей. В то же время за счет бесшовной сварки в местах, где обычно предусматриваются стыки, многократно возрастает прочность деталей.
Хорошо, что новая технология с такими высокими характеристиками и прогрессивными возможностями может стать основой производства не завтрашнего, а уже сегодняшнего дня.
Развитие 3D технологий хорошо сказалось на человечестве, благодаря этим технологиям были созданы протезы для людей инвалидов, так же были созданы органы для людей, которых в них нуждались. Но все-таки главным минусом остается стоимость материалов, которые используются для построения тех или иных предметов.
Подведя итог можно сказать, что в наше время много разных видов 3D технологий, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки, поэтому каждый потребитель сможет найти для себя тот 3D принтер, который ему подойдет по всем параметрам.
Использованные источники:
1. Дровосекова Т.И., Русак С.Н., Цаплева В.В. Разработка распределённой системы контроля микроклимата помещений // Современные методы интеллектуального анализа данных в экономических, гуманитарных и естественнонаучных исследованиях. Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, филиал в г. Пятигорске Ставропольского края. 2016. С. 356-363.
2. Ильюшин Ю.В., Кучеренко И.А., Ляшенко А.Л., Новожилов И.М. Решение задачи моделирования поведения температурного поля в распределенных объектах управления // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2014. № 7. С. 48-51.
3. Ильюшин Ю.В., Першин И.М. Метод управления температурным полем на основе функции Грина //Записки Горного института. 2015. Т. 214. С. 57 -70.
4. Первухин Д.А., Афанасьева О.В., Ильюшин Ю.В. Информационные сети и телекоммуникации // Учебное пособие / Санкт-Петербург, 2015.
5. Чернышев А.Б. Исследование нелинейных распределенных систем управления температурными полями // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2004. № М. С. 57.
6. Что такое 3D принтер и 3D печать: https://make-3 d.ш/artides^hto-takoe-3d-pechat/
