CC BY
86
УДК 621.91.002
Хаба Этьен, В.А. Тимирязев
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Аннотация. Разработаны рекомендации для выбора оборудования, представлены теоретические рассуждения на этапе подготовки к созданию 3D принтера, обеспечивающего изготовление изделий по аддитивным технологиям, показаны примеры деталей и их применение в машиностроении. Предложен макет принтера под названием TECHNOTOP РУДН, имеющий наилучшее соотношение цена/качество, отличающийся простотой в использовании, улучшенной комплектацией, оптимальным для эпизодического использования. Рассмотрены прочность и точность станка в зависимости от выбора типа передачи, шаговых двигателей, мощности и режимов их работы. Проведены тепловые эксперименты, расчеты экструдера с термобарьером разных материалов. Найдены решения актуальных проблем, дефектов, нюансов настройки программного обеспечения,возникающих во время 3D-печати.
Ключевые слова: аддитивные технологии, тепловые эксперименты, методы печати, селективное лазерное спекание, прямое осаждение материала, термобарьер, выдавливание материала, теплопроводность, традиционные технологии, трехмерная печать.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-156-162
Улучшение характеристик и свойств деталей возможно лишь с применением новых материалов, посколькув современном производстве традиционные методы обработки металлов достигли пика своего развития. Использование материалов очень ограничено и обуславливается в основном формой изготавливаемой детали, так как не все материалы хорошо поддаются обработке традиционными методами. К таким материалам можно отнести металлокерамику и твердые сплавы. Применение таких материалов ограничено в связи со сложностью обработки. Попытаться решить эту проблему можно с помощью 3D-печати, так как при печати происходит не удаление лишнего материала с заготовки, а «выращивание» детали. Так же неактуально для 3D принтера огра-
ничение по форме изготавливаемой детали [1-3].
При исследовании технологических возможностей эффективного применения аддитивных технология для изготовления деталей машин, были рассмотрены возможности применения 3D-принтеров в современном производстве. Был представлен обзор существующих технологий трехмерной печати, методы (FDM, SLA, SLM, DMLS), материалы (металлические и полимерные) и технологии аддитивного производства.
Так же выбраны основные виды аддитивных технологий: селективное лазерное спекание и прямое осаждение материала [4].
Далее были рассмотрены этапы создания и выбора элементов 3D принтера TECHNOTOPРУДН:
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 8. С. 156-162. © Хаба Этьен, В.А. Тимирязев. 2018.
• назначить станок;
• выбрать элементы с цилиндрическими направляющими и электрических элементов;
• выбрать двигатели;
• выбрать основание станка;
• выбрать станины.
Затем было рассмотрено проектирование принтера под названием TECHNOTOP РУДН (рис. 1), имеющего следующие характеристики и особенности:
• наилучшее соотношением цена/ качество;
• самый простой в использовании;
• улучшенная комплектация;
• оптимальный для эпизодического использования;
• идеальный для малого и среднего бизнеса;
• инновационный;
• применение фрезерной головки, экструдера и модульного лазера.
Всегда для простоты использования присоединяют бесплатный Wi-Fi, что позволяет подключить несколько компьютеров одновременно.
TECHNOTOP РУДН позволяет печатать модели до 400*300*300 мм с толщиной слоя 100 микрон минимум. Скорость пе-
Рис. 1. Вид сбоку на принтер TECHNOTOP РУДН Fig. 1. TECHNOTOP RUDN printer, side view
чати 150 мм/с. TECHNOTOP РУДН будет являться одним из самых быстрых на рынке.
Только для любителей этот принтер можно улучшить, добавив несколько экс-трудеров для смешивания цветов или материалов, таких как ABS. Более твердыми и прочными используемыми тер -мопластиками являются ABS, PLA, нейлон или же нити дерева [5].
Так же выбраны цилиндрические направляющие декартовой системы координат: полированные валы, которые характеризуются легкостью монтажа и ценовой доступностью; держатели; ша-
Рис. 2. Механические компоненты, приводы и цилиндрические направляющие декартовой системы координат
Fig. 2. Power components, drives and cylindrical guideways in the Cartesian coordinates
Рис. 3. Электрические компоненты Fig. 3. Electrical components
рико-винтовая передача для преобразования вращательного движения вала в поступательное движение; муфты, которые передают большой крутящий момент и предназначены для компенсации осевых и угловых перемещений, а также обеспечивают низкий момент инерции и точную соосность; каретки или модули линейного перемещения, которые принимаются для использования в ограниченном пространстве и способны воспринимать повышенную радиальную нагрузки и крутящий момент; подвижный стол и колонны, полученные из металлической пластины.
Электрические компоненты: блок питания, который берет электричество 120 В переменного тока сети и преобразует его в низкое напряжение постоянного тока, используемое 3D принтером; шаговый двигатель — синхронный электрический мотор, который совершает каждый оборот за некоторое количество равноценных эквивалентных перемещений (для повышения мощности и точности движения и перемещения были поставлены два двигателя на оси X и два на оси Y). Шаговые драйверы, которые последовательно запускают обмотку двигателя, заставляя его работать в пошаговом режиме. В данном случае для проекта был выбран драйвер MotorShield,
который подходит для управления двумя шаговыми двигателями на каждую ось, двумя серво-приводами или четырьмя обычными двигателями постоянного тока. Материнская плата является мозгом принтера, которая принимает команды, принятые компьютером (в виде G-кода) и дирижирует их исполнение, а так же содержит схемы, необходимые для запуска двигателей.
Микроконтроллер ведет обмен данными с компьютером и отвечает за сбор данных со всех датчиков. Для проекта был выбран ArduinoDue. Это одна из первых плат Arduino на основе 32-битного микроконтроллера с ARM ядром на базе процессора Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3. Обладая тактовой частотой 84 МГц и 32-битной архитектурой, он позволяет выполнять большинство операций над целыми числами в 4 байта за один такт.
Также составляющими электрических компонентов являются LCD дисплей с SD картой, шпиндельная фрезерная головка, модульный лазер для гравирования и экструдер Е3DV6 [6—10].
После выбора всех составляющих элементов, они были собраны в одну систему называемого 3D принтера.
Блок-схема выглядит следующим образом (рис. 4).
LCD position/status readout
двигателя (по ОСЬЮ xyz) шаговый драйвер Притер TECHNOTOP рудн
Драйвер шагового двигателя DM422
Рис. 4. Схема сборка принтера TECHNOTOP РУДН Fig. 4. TECHNOTOP RUDN printer: assembly diagram
Термобарьер нержавеющая сталь
Рис. 5. Картина теплового состояния экструдера при использовании термобарьеров из различных материалов
Fig. 5. Pattern of thermal state of extruder with thermal barrier made of different materials
Рис. 6. Схема конструкции выходного устройства экструдера
Fig. 6. Extruder output structure diagram
Рис. 7. Изменение геометрии выходного отверстия экструдера в процессе его использования: геометрия внутреннего конуса (а); геометрия внутреннего цилиндра (б) Fig. 7. Change of the output port geometry during operation of extruder: (a) inner cone geometry; (b) inner cylinder geometry
Рис. 8. Термобарьер с геометрией внутреннего конуса: схема конструкции термобарьера (а); геометрия изготовленного термобарьера (б) Fig. 8. Thermal barrier and inner cone geometry: (a) thermal barrier structure; (b) geometry of manufactured thermal barrier
Далее был выбран экструдер E3DV6 для принтера и проведены тепловые эксперименты и расчеты экструдера с термобарьером разных материалов:
• термобарьер обычная сталь;
• термобарьер нержавеющая сталь;
• термобарьер медь.
В результате было установлено, что нагрев устройства стал сильнее при ис-
пользовании термобарьеров обычная сталь и медь (см. рис. 5).
Тепловые расчеты показали, что нержавейка обладает меньшей теплопроводностью и не требует термобарьера для охлаждения [11].
Зная, что E3DV6 должен печатать ABS и PLA, было продолжено исследования причин отказа подачи PLA пластика через незначительный промежуток времени.
В результате было отмечено, что внутренний диаметр термобарьера начинает расширяться, стремясь к геометрии конуса, хотя на чертеже он имеет геометрию цилиндрической формы.
Было решено продолжить эксперимент с применением других термобарьеров с разными коническими отвер -стиями. В результате эксперимента был найден термобарьер, который работал без остановки.
Кроме того, при анализе актуальных проблем, дефектов, нюансов и настройки программного обеспечения, возникающих во время 3D-печати, были найдены решения их устранения[12].
Проблемы:
• при 3D печати подается недостаточно пластика;
• экструдируется слишком много пластика;
• дыры и щели в верхнем слое;
• перегрев при 3D печати;
• смещение слоев или отсутствие выравнивания;
• разделение и расщепление слоев;
• пластик стачивается и перестает подаваться;
• засорение экструдера;
• 3D принтер внезапно перестает экструдировать;
• плохое, рыхлое заполнение;
• натеки и «прыщи» на 3D распечатке;
• щели между наполнением и контуром;
• загибающиеся или неровные углы;
• царапины на верхней поверхности;
• дыры и щели между углами слоев;
• перегрев при 3D печати;
Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотренные проблемы тепло-нагрева при осуществлении аддитивных технологий являются одними из ключевых, решение которых обеспечивает эффективную работу экструдера Е3DV6.
В соответствии с поставленной задачей был разработан эскизный проект создания принтера модели TECHNOTOP
РУДН (или принтер три в одном). Для создаваемого принтера модели ТЕСН-NOTOP РУДН был выбран экструдер Е3DV6.
Технологические возможности эффективного применения аддитивных технологий для изготовления деталей машин и оборудования безграничны и имеют большое количество преимуществ перед традиционными методами изготовления деталей [13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): учебное пособие. — СПб.: Университет ИТМ, 2015. — С. 63.
2. Горячий В. В. Повышение надежности нефтегазового оборудования применением 3Э-печати // Инновации и инвестиции. - 2015. - № 11. - С. 150-152.
3. Baumann F. W., Eichhoff J. R., Roller D. Scanned Image Datafrom 3D-printed Specimens Using Fused Deposition Modeling // Data 2017, № 2, P.3.
4. Логачева А. И., Сентюрина Ж. А., Логачев И.А. Аддитивные технологии производства ответственных изделий из металлов и сплавов (обзор) // Перспективные материалы. - 2015. -№ 4. - С. 5-16.
5. Yang C., Shen W., Lin T., WangX. A hybrid framework for integrating multiple manufacturing clouds // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, № 86, 895-911.
6. Тимирязев В. А., Схиртладзе А. Г., Мелетьев Г. А., Шебашев В. Е. Основы технологии машиностроения: учебник. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2016. - 424 с.
7. Маранц А. В. Сравнение свойств материалов сталь-TiC, полученных методами лазерных технологий и порошковой металлургии // ПМиФП Известия вузов. - 2013. - № 1. -С. 22-26.
8. Довбыш В. М., Забеднов П. М., Зеленко М.А. Аддитивные технологии и изделия из металла. Режим доступа: http://nami.ru/upload/AT_metall.pdf (дата обращения 10.03.2015).
9. Mark Curies German selective laser melting specialist mulls IPO // Industrial laser solutions. 15.08.2014.
10. Балякин А. В., Чемпинский Л. А., Смелов В. Г. Применение аддитивных технологий для создания деталей камеры сгорания // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2012. - № 3 (34). - С. 47-52.
11. Галкин В. И., Шешко Е. Е. Перспективы развития транспортных систем в глубоких карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2018. - СВ 1. - С. 369379.
12. Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Труды МАИ. - 2014. - № 78. - С. 22.
13. Boparai K.S., Singh R., Singh H. Development of rapid tooling using fused deposition modeling: Areview. Rapid Prototyp. J. 2016, no 22, Pp. 281-299. [¡233
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Хаба Этьен1 - магистр, е-паИ: habatino@yahoo.fr, Тимирязев Владимир Анатольевич1 - доктор технических наук, профессор, е-шаП: timwa38@mail.ru, 1 Российский университет дружбы народов.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 8, pp. 156-162.
Technological capabilities of efficient use of additive technologies in manufacture of machine parts
Haba Etienne1, Magister, e-mail: habatino@yahoo.fr,
Timiryazev V.A1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: timwa38@mail.ru, 1 Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), 113093, Moscow, Russia.
Abstract. Recommendations on equipment selection are made, theoretical considerations on designing 3D printer for manufacture of parts by additive technologies are presented, and examples of parts and their application in machine building are given. The experimental model of the printer named TECHNOTOP RUDN is proposed: it has the best price/quality ratio, simple in use, has improved configuration and is an optimal alternative for discrete application. The strength and precision of the machine tool are analyzed as functions of the type of transmission, step motors, their capacity and operating modes. Thermal experiments and calculations of extrusion machine with a thermal barrier made of different materials are carried out. The pressing problems are solved, as well as defects and nuances of program settings during 3D printing are identified.
Key words: additive technologies, thermal experiments, printing techniques, selective laser sintering, direct material settlement, thermal barrier, material extrusion, thermal conduction, conventional technologies, three-dimensional printing.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-156-162
REFERENCES
1. Valetov V. A. Additivnye tekhnologii (sostoyanie i perspektivy): uchebnoe posobie [Additive technologies (current condition and prospects: Educational aid], Saint-Petersburg, Universitet ITM, 2015, pp. 63.
2. Goryachiy V. V. Povyshenie nadezhnosti neftegazovogo oborudovaniya primeneniem 3D-pechati [Improvement of oil&gas industry equipment reliability using 3D printing]. Innovatsii i investitsii. 2015, no 11, pp. 150-152. [In Russ].
3. Baumann F. W., Eichhoff J. R., Roller D. Scanned Image Datafrom 3D-printed Specimens Using Fused Deposition Modeling. Data 2017, № 2, P.3.
4. Logacheva A. I., Sentyurina ZH. A., Logachev I.A. Additivnye tekhnologii proizvodstva otvetstvennykh izdeliy iz metallov i splavov (obzor) [Additive technologies for manufacture of critical products from metals and allows (review)]. Perspektivnye materialy. 2015, no 4, pp. 5—16. [In Russ].
5. Yang C., Shen W., Lin T., Wang X. A hybrid framework for integrating multiple manufacturing clouds. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, № 86, 895—911.
6. Timiryazev V. A., Skhirtladze A. G., Melet'ev G. A., SHebashev V. E. Osnovy tekhnologii mashinostroe-niya: uchebnik [Fundamentals of engineering technology: Textbook], Yoshkar-Ola, PGTU, 2016, 424 p.
7. Marants A. V. Sravnenie svoystv materialov stal'-TiC, poluchennykh metodami lazernykh tekhnologiy i poroshkovoy metallurgii [Comparison of properties of steel-TiC materials produced using laser technologies and powder metallurgy]. PMiFP. Izvestiya vuzov. 2013, no 1, pp. 22—26. [In Russ].
8. Dovbysh V. M., Zabednov P. M., Zelenko M. A. Additivnye tekhnologii i izdeliya iz metalla [Additive technologies and metal-work], available at: http://nami.ru/upload/AT_metall.pdf (accessed 10.03.2015).
9. Mark Curles German selective laser melting specialist mulls IPO. Industrial laser solutions. 15.08.2014.
10. Balyakin A. V., Chempinskiy L. A., Smelov V. G. Primenenie additivnykh tekhnologiy dlya sozdaniya de-taley kamery sgoraniya [Application of additive technologies in manufacture of combustion chamber parts], Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta. 2012, no 3 (34), pp. 47—52. [In Russ].
11. Galkin V. I., SHeshko E. E. Perspektivy razvitiya transportnykh sistem v glubokikh kar'erakh [Prospects for development of transport systems in deep open pit mines]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. Special edition 1, pp. 369—379. [In Russ].
12. Chumakov D. M. Perspektivy ispol'zovaniya additivnykh tekhnologiy pri sozdanii aviatsionnoy i raket-no-kosmicheskoy tekhniki [Prospects for application of additive technologies in aeronautical and rocket-and-space engineering]. Trudy MAI. 2014, no 78, pp. 22. [In Russ].
13. Boparai K. S., Singh R., Singh H. Development of rapid tooling using fused deposition modeling: Areview. Rapid Prototyp. J. 2016, no 22, Pp. 281—299.
