3054

Рис. 45. Фрагмент модели газотурбинного двигателя (технология FDM)

Рис. 46. SLA-модель с поддерживающими структурами

В качестве примера в табл. 1 приведены результаты сравнительных измерений поверхностей одной и той же детали, построенной на разных машинах. Для большей достоверности измерения проводились на горизонтальных (тип А) и вертикальных (тип В) поверхностях. Измерения только одного вида поверхности может привести к неверному представлению о возможностях машины, поскольку, например, машина, работающая с жидким фотополимером, может построить очень гладкую, почти зеркальную горизонтальную плоскость, но на вертикальной стенке может быть заметная шероховатость.

52

Таблица 1. Сравнение шероховатостей моделей, полученных

различными AM-технологиями

Из приведенных данных, очевидно, что и внутри отдельной технологии могут быть существенные нюансы в оценке шероховатости, связанные с типом модельного материала (его качеством и, соответственно, ценой!). Видно

53

также, что технологии, базирующиеся на использовании жидких фотополимеров (SLA, DLP, Poly-Jet), позволяют получить более гладкие поверхности по сравнению с SLSили FDM-технологиями.

То же касается и точности: чем выше точность построения, тем дороже SD-принтер. По этому параметру AM-машины имеют значительные отличия. При рассмотрении технических характеристик принтеров, безусловно, следует обращать внимание на параметр, называемый layers thickness - толщина слоя построения, или шаг построения.

На точность влияет ряд параметров, и шаг построения является не единственным и, зачастую, не главным. Заявляемый шаг построения, например, 0,08 мм для SLSмашины 3D Systems вовсе не означает, что модель размерами 250х250х250 мм будет построена с отклонениями по осям измерений ±0,08 мм. Скорее всего, отклонения будут находиться в пределах нескольких десятых долей миллиметра (±0,3...0,8 мм). На конечный результат будет сильно влиять тип материала (полиамид, полистирол) и в ещё большей степени - конфигурация модели, а также квалификация персонала: правильно ли выбраны режимы спекания, ориентация моделей в объеме построения, расположение моделей относительно друг друга и т. д. При этом нужно помнить, что SLS - это тепловой процесс, в ходе которого в рабочую камеру подводится значительное количество тепла, температура массива в камере достигает 150°С. Естественно, что строящаяся модель подвергается существенным тепловым нагрузкам и может деформироваться.

Данный эффект может быть усилен или ослаблен действиями персонала как на стадии подготовки задания на построение, так и в процессе работы машины и извлечения моделей из камеры. Неверные действия могут привести к короблению модели, и формальная точность, выраженная понятием layers thickness, не будет иметь никакого значения: отклонения от исходной геометрии могут составлять

54

миллиметры.

Другие технологии также имеют свои особенности, например, разную реальную точность построения по осям: в плоскости X-Y одно значение, в направлении Z -другое. Поэтому при выборе технологии и 3D-принтера не лишним будет построить тестовые модели на разных АM-машинах, провести измерения и оценить, соответствуют ли результаты ожиданиям заказчика и требованиям к модели для конкретных задач. Тем не менее, общепринятым можно считать мнение, что наилучшая точность построения достигается в SLAмашинах. Одной из причин этого является то, что в SLAтехнологии процесс построения происходит при комнатной температуре в отсутствии термических нагрузок. Большое значение имеет также качество модельных материалов. Современные SLA-материалы, во-первых, малоусадочные и, во-вторых, имеют определенную вязкость, позволяющую получать стабильно в процессе построения тонкие слои до 0,025 мм. Реальная точность построения SLA-машин составляет 0,025...0,05 мм на дюйм линейного размера. Это значит, что модель с характерным размером 250 мм будет, иметь отклонения в пределах ±0,25.0,5 мм. Однако эти отклонения могут быть существенно уменьшены за счет введения соответствующих корректировочных коэффициентов на стадии подготовки задания на построение, и следующая модель может быть построена значительно точней, правда, в этом случае первая модель будет в качестве тестовой.

Ещё одним направлением «быстрого прототипирования» является изготовление «быстрой оснастки» - «rapid tooling». В некоторых случаях «быструю оснастку» применяют на предсерийной стадии проекта для изготовления деталей не из модельных материалов, а из промышленных пластиков. Либо для изготовления заведомо штучной или малосерийной продукции - 10-100 шт. Пример такой оснастки приведен на рисунке 47. Литейную форму

55

(матрицу и пуансон) «выращивают» на SD-принтере, доводят чистоту поверхности формы вручную, устанавливают на

термопласт-автомат и получают конечное изделие.

Рис. 47. Оснастка (вставки) для получения отливок из полиамидана термопласт-автомате (изготовлено на принтере

Objet500 Connex)

AM-технологии применяют и для прототипирования некоторых функциональных характеристик изделия - оптических, прочностных, гидро- и аэродинамических. Например, стереолитографические модели широко используются для продувки макетов летательных аппаратов или полноразмерных моделей и их отдельных элементов (рис. 48).

Рис. 48. Испытания элементов самолета в аэродинамической трубе

Компания LUXeXceL (Нидерланды) разработала технологию и оборудование для моделирования оптических изделий (линз, призм и т. д.).

56

Сущность технологии, называемой Printoptical, заключается в следующем (рис. 49): на глянцевую поликарбонатную подложку (1) с помощью струйной головки

(3) послойно наносится фотополимер (2), который отверждается УФ-лампой (4). Размер капель фотополимерных «чернил» варьируется в зависимости от дизайна модели. Разрешение печати высокое, практически такое же, как и в обычных 2D-струйных принтерах. Ключевым элементом технологии является печатающая головка с пьезоэлектрическим управлением, обеспечивающая разрешение на уровне 1440 dpi и выше. Материал наносится в виде мелких сферических капель, но отверждается УФлампой с некоторой экспозицией, позволяя капле растечься за счет смачивания, в результате этого поверхность модели получается гладкой и не требует пост-обработки.

Рис. 49. Технология Printoptical:

1 - глянцевая поликарбонатная подложка; 2- фотополимер; 3 – струйная головка; 4 - УФ-лампа;

5, 6 - отверждённые слои

57

В ряде случаев прототип может быть полностью функциональным для проведения вариантных исследований (рисунки 50, 51). Например, изготовление опытного образца алюминиевой впускной трубы ДВС потребовало бы значительных финансовых и временных затрат (разработка и изготовление литейной оснастки, механообработка). АМтехнологии позволили сократить время и провести моторные испытания с использованием полиамидного прототипа (см. рис. 51), оснащенного необходимыми устройствами прямо на моторном стенде. Появление новых высокопрочных, термостойких модельных материалов расширяет возможности функционального прототипирования.

Рис. 50. Полноразмерный макет приборной панели автомобиля

Рис.51 .Прототип впускной трубы ДВС, оснащенный элементами системы топливоподачи и подготовленный к проведению стендовых испытаний

58

Архитектурное моделирование (макетирование) было и остается популярным направлением быстрого прототипирования, рис.. 52, которое применяется и в работе с индивидуальными заказчиками на стадии эскизного проекта, и крупными компаниями для согласования проектов застройки городских комплексов.

Рис. 52. Архитектурное моделирование: а - макет Химического корпуса СПбГПУ; б - макет детской площадки

Масштабное моделирование машин и механизмов стало неотъемлемой частью экспозиций современных индустриальных выставок. 3Dпринтеры с «цветной печатью» позволяют создавать копии сложных объектов с высокой степенью детализации, рис. 53.

Важной вехой в развитии АМ-технологий стало появление технологии AKF - ARBURG Kunststoff-Freeformen (компания ARBURG), рис. 54. Известно, что принципиальным недостатком технологий быстрого прототипирования является то, что 3D-принтеры в силу специфики рабочего процесса строят изделия из модельных материалов, далеко не всегда соответствующих функциональным требованиям. Нитевые, порошковые или светоотверждаемые полимеры позволяют достаточно точно воспроизвести геометрию детали, но их прочностные свойства: термостойкость, стойкость к воздействию влаги, агрессивных сред, ультрафиолетового излучения и т. д. оказываются не достаточными, чтобы использовать построенные изделия в качестве конечного продукта - детали механизма или машины.

59

Рис. 53. Копии двигателей:

а - действующая модель авиационного звездообразного двигателя;

б - макет авиационного газотурбинного двигателя

Технология AKF выводит аддитивные технологии на качественно новый уровень. Она позволяет использовать промышленные полимеры - ABS, PC (поликарбонат), PA (полиамид), TPE (термоэластопласты), причем в привычном для промышленного литья виде - в стандартных гранулах. Теперь нет необходимости готовить нитевидный, как для FDMмашин, или порошковый, как для SLS-машин, дорогостоящий модельный материал. В конструкции AMмашины Freeformer много общего от обычных серийных термопласт-автоматов. В бункер (рис. 54 б) загружают фидсток в виде гранул, шнековый механизм подает материал к экструдеру. По пути к экструдеру материал нагревают до 205°С. Экструзионная головка содержит форсунку с дозирующим механизмом и мембраной с пьезоэлектрическим приводом. Наконечник форсунки - сменный, могут быть установлены наконечники с диаметром выходного отверстия 100, 150, 200, 250, 300 мкм. Таким образом, в зависимости от требований к детали можно регулировать скорость построения (производительность) и шероховатость

60

поверхности (меньше скорость - меньше шероховатость и наоборот).

аб

вг

Рис. 54. АМ-машина Freeformer (ARBURG):

а - внешний вид машины; б, в, г - схема рабочего процесса; размеры зоны

построения

230x130x250мм; минимальный шаг построения 0,15 мм

Машина может быть оснащена одной, двумя и более экструзионными головками, что позволяет либо увеличить скорость построения деталей, либо использовать при построении различные (по цвету или по свойствам) материалы.

61