Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы компьютерной графики 3D-моделирование и 3D-печать. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 114 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

3.2. Технологии 3D-печати

поэтапного добавления материала на основу (заготовку). В соответствии с этим 3D-принтеры – это станки с числовым программным управлением, изготавливающие детали аддитивным способом.

Решающую роль в быстром развитии технологии аддитивного производства определило развитие компьютерной техники и математического аппарата компьютерной графики. Сегодня рынок аддитивного производства ориентировочно оценивается около двух млрд долларов. В эту сумму включаются не только само производство изделий и специального оборудования, но и оказание услуг. Лидером по применению и развитию технологий аддитивного производства являются США, доля которых на мировом рынке составляет 40 %. Далее следуют Япония с долей в 13 %, Германия и Китай с долей по 8 %. Россия пока отстаёт от этих стран и её доля рынка оценивается примерно в 1,5 %. Несмотря на то, что технология 3D-печати известна уже более сорока лет, коммерческая эксплуатация 3D-принтеров началась после 2010 г. Создателем первого 3D-принтера является Чарльз Халл, один из основателей корпорации 3D-Systems.

В настоящее время технологии аддитивного производства позволяют изготавливать из практически любых материалов объекты, которые не требуют финальной доработки и используются для прототипирования в широком спектре областей:

• архитектуры и промышленного строительства;

• машиностроения, включая его отрасли;

• приборостроения, медицины (протезы) и биоинженерии;

• производства изделий лёгкой и пищевой промышленности (еда,

одежда, обувь, ювелирные изделия) и во многих других областях, где востребовано производство высокоточных изделий и их прототипов в сжатые сроки времени.

3.2. Технологии 3D-печати

За 30 лет развития методов аддитивного производства появилось много технологий создания реальных объектов средствами 3D-печати. При этом 3D-печать выполняется различными способами, используя различные материалы. Однако в основе всех способов лежит процесс по-

3. Технологии 3D-печати

слойного наращивания твёрдого объекта. Главные отличия среди множества технологий 3D-печати состоят в способах формирования слоёв и разновидностях материалов, которые при этом используются. На рис. 3.1 отражены известные технологии 3D-печати.

Как видно из рис. 3.1, в основе, например порошковой технологии печати, лежат процессы, связанные с размягчением применяемого материала или с его расплавлением. Примерами таких процессов являются:

• лазерное спекание или лазерная плавка;

• послойное наплавление.

Направление печати, известное как фотополимеризация, использует полимеризацию жидких материалов, например стереолитографию.

В технологии 3D-печати, которая называется ламинирование, слои материала вырезаются до необходимого контура, затем соединяются в единое целое.

Все технологии 3D-печати (рис. 3.1) имеют свои преимущества и недостатки, которые отметим при более подробном знакомстве с основными методами и соответствующими им технологиями аддитивного производства, которые представлены на рис. 3.2.

Технологии 3D-печати

Экструзионная печать

Проволочная печать

Порошковая печать:

выборочное лазерное спекание;

выборочная лазерная плавка;

прямое лазерное спекание;

электронно-лучевая плавка

Струйная печать

Многоструйный синтез

Фотополимеризация:

метод стереолитографии;

метод цифровой проекции;

PolyJet;

Multi Jet modeling

Ламинирование

Рис. 3.1.

Технологии 3D-печати

3.2. Технологии 3D-печати

Методы

Технологии

Используемые

материалы

Экструзион-

ный

Моделирование методом

послойного наплавления Напыление капель нагретого материала

SFF (Solid Freeform Fabrication) – 3D-печать еды

Термопластики (такие

как полилактид, акрил, стирол и др.) легкоплавкие металлы и сплавы, литейный воск, съедобные материалы

(например, шоколад)

Проволочный

Электронно-лучевая плавка

Практически любые

металлические сплавы

Порошковый

Прямое лазерное спекание

металлов Электронно-лучевая плавка Выборочное тепловое спекание Выборочное лазерное спекание

Выборочная лазерная плав-

ка

Практически любые

металлические сплавы Титановые сплавы Порошковые термопластики Термопластики, металлические и керамиче-

ские порошки

Кобальт-хромовые и титановые сплавы, алюминий

Струйный

Струйная трёхмерная

печать

Рис. 3.2. Основные методы аддитивного производства

Гипс, пластики, метал-

лические порошки, пес-

чаные смеси

Многоструй-

ный

Multi Jet Fusion (MJF)

Nylon 12 (PA 12)

Ламинирова-

ние

Изготовление объектов

методом ламинирования

LOM)

Бумага, металлическая

фольга, пластиковая

пленка

Полимериза-

ция

Стереолитография (SLA)

Цифровая светодиодная проекция MJM (Multi Jet

Modeling) PolyJet

Фотополимеры

3. Технологии 3D-печати

Отметим, что при выборе 3D-принтера под соответствующую технологию, как правило, обращают внимание на стоимость 3D-принтера, скорость печати, себестоимость изготавливаемых объектов, а также на доступность и стоимость расходных материалов.

Рассмотрим более детально наиболее распространенные технологии.

3.2.1. Экструзионная печать

Технология, которая получила название моделирование методом послойного наплавления (англ. fused deposition modeling, FDM), появилась в конце 1980-х гг. благодаря работам С. Скотта Крампа изобретателя технологии послойного наплавления (FDM). В 2005 г. была разработана модификация FDM-технологии, которая получила название производство способом наплавления нитей (Fused Filament Fabrication, FFF) [1, 2].

Печать с использованием FDM-технологии основана на формировании слоёв изделия посредством выдавливания (экструзии) расходного материала (например, термопластик) из специального устройства, которое называется экструдером. При этом термопластик или другой исходный материал должен иметь свойство быстрого застывания. Поэтому, расплавляясь в экструдере, исходный материал далее поступает микрокаплями или тонкими струйками через сопло на рабочую поверхность. Позиционирование экструдера выполняется в трёх плоскостях за счёт использования высокоточных шаговых двигателей. Управление перемещением экструдера осуществляется соответствующим программным обеспечением.

Одним из недостатков FDM-принтеров являлся нагрев всей камеры установки. Поэтому в 2005 г. FDM-технологии была модифицирована в FFF-технологию с целью снижения стоимости принтеров и печати. В результате в FFF-принтерах исчезла нагревательная камера и расходный материал, проходя через горячий экструдер и холодную среду, попадал на разогретый рабочий стол. В связи с этим образовалась цепочка прохождения материала по температурным средам: горячая – холодная – горячая. В результате в готовом изделии появляются остаточные напряжения, что является нежелательным эффектом. Поэтому изделия, выполненные по FDM-технологии и FFF-технологии, могу различаться по своим эксплуатационным свойствам. Это определило ориентацию этих технологий на то или иное производство. Так FDM-технологии ориентированы на произ-

3.2. Технологии 3D-печати

водство высококачественных промышленных прототипов, к которым предъявляются повышенные требования по нагрузкам. В свою очередь FFF-технология ориентирована на любителей, выполняющих в основном прототипирование.

Расходные материалы, которые применяются в обеих технологиях FDM/FFF, представлены широким спектром полимеров, например акрил, стирол, поликарбонат, полилактид, полиэтилен, смеси поликарбоната и многие другие. Сегодня довольно много отходов из пластика, и недаром организован раздельный сбор мусора с целью переработки использованного пластика в материалы для 3D-печати. Для этого применяются шредеры и переплавляющие устройства. Промышленные шредеры представляют собой устройства, которые служат для измельчения отходов, обычно до 15–20 мм, после чего дальнейшее измельчение отходов до нужного размера выполняется устройствами, которые называются дробилками.

Отметим, что технологии FDM/FFF малоэффективны для изготовления объектов определённых геометрических форм, например производство конструкций типа сталактитов. Однако сегодня это ограничение обходят за счёт введения опорных элементов, которые после окончания печати удаляются.

3.2.2. Проволочная печать

Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM) – инновационный процесс в производстве, который был разработан исследовательским центром NASA в Лэнгли. В этом процессе металлический порошок или нить полностью расплавляется концентрированным пучком электронов. При этом в вакуумной камере используются высокомощные электронные излучатели для плавки металла. Сам процесс формирования объекта состоит в том, что электронный пучок, в соответствии с контурами цифровой модели, передвигается по рабочей поверхности. Вместе с передвижением электронного пучка в точку его фокусировки подаётся металлическая проволока, которая плавится, а затем застывает, создавая слои в соответствии с цифровой моделью.

С помощью технологии EBM возможно изготавливать как очень маленькие объекты миллиметровых размеров, так и большие – метровых размеров.

3. Технологии 3D-печати

Так как процесс протекает в вакуумной камере, то обеспечивается гарантия, что используемые исходные материалы, например титан, не будут подвергнуты окислению. Создание вакуума является необходимым условием, чтобы электроны не сталкивались с молекулами газа. Электронные плавильные печи имеют большую мощность электронного пучка, которой можно управлять для получения разных режимов плавки. При этом можно получить температуру расплава больше чем температура плавления материала. Вакуумная камера и электронный пучок не могут внести загрязнение расплавляемого материала примесями, поэтому электронно-лучевая плавка практически идеально подходит для плавки особо чистых материалов, например стали и титана, а также материалов с высокой температурой плавления.

EBM-технология ориентирована на производство изделий с экономичным расходованием исходного материала. Вследствие этого практически не требуется механическая обработка и при использовании точных трёхмерных цифровых моделей получаются практически готовые формы.

Сравнительно недавно технология EBM была только иллюстрацией возможностей аддитивного производства, а  в настоящее время её потенциал практически реализован и она с успехом применяется для печати комплектующих деталей во многих отраслях промышленности.

В настоящее время в работе по совершенствованию EBM-технологии участвуют несколько исследовательских центров NASA и частная аэрокосмическая промышленность США. При этом NASA планирует применить эту технологию как экологичную и эффективную при изготовлении металлических изделий в условиях отсутствия гравитации и использовать её в космосе.

3.2.3. Порошковая печать

Метод порошковой печати реализован в таких технологиях, как прямое и выборочное лазерное спекание, электронно-лучевая плавка, выборочная лазерная плавка и выборочное тепловое спекание. Среди названных технологий наиболее востребована технология выборочного лазерного спекания для работы с металлами и полимерами и технология прямого лазерного спекания для работы с металлами.

3.2. Технологии 3D-печати

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering Meth-

od, SLS). Технология разработана в США и основана на применении ла-

зера, обеспечивающего спекание порошкообразных материалов (пластик, керамика, стекло, металл) в трёхмерную структуру. В этой технологии после завершения процесса спекания очередного слоя порошка рабочая поверхность принтера перемещается вниз и формируется следующий слой порошка. Далее такая последовательность действий зацикливается до тех пор, пока не будет получена готовая деталь.

Отличительная особенность этой технологии заключается в том, что в качестве исходного материала используется порошковая смесь частиц металла, покрытых полимером. Затем полученную в результате спекания деталь переносят в печь, где под воздействием высокой температуры полимер выгорает. При этом выгоревший полимер замещается легкоплавкой бронзой.

Принтеры, реализующие SLS-печать, имеют вакуумную камеру или камеру с инертной средой. Такие принтеры громоздки, дорогостоящие и в домашних условиях не применяются.

Преимущества SLS-технологии:

• не нужны дополнительные материалы, поддерживающие нависа-

ющие детали в изделии;

• большое разнообразие в выборе расходных материалов;

• относительно высокая скорость печати.

Недостатки SLS-технологии:

• небольшая шероховатость изделий, которая устраняется дополни-

тельной обработкой;

• существенное время нагрева до стабильной температуры для под-

готовки принтера к рабочему режиму;

• в случае металла невозможно организовать печать дома.

Выборочная лазерная плавка (Selective laser melting, SLM). Ос- новное отличие SLM-технологии от SLS-технологии заключается в плавлении порошка, а не в его спекании. Эта особенность процесса обеспечивает высокую плотность материала изделия, сравнимую с деталями, созданными традиционными методами.

Использование SLM-технологии позволяет изготавливать точные детали из металла, а также конструкции, которые могут менять свою геометрию в процессе эксплуатации.

3. Технологии 3D-печати

Как и в SLS-технологии, процесс заключается в том, что на рабочий стол наносят тонкий слой порошкообразного материала. При этом рабочий стол может перемещаться вверх и в низ. В SLM-принтере имеется камера, которая содержит какой-либо инертный газ, обычно аргон. Наличие инертного газа в рабочей камере предотвращает реакцию оксидации расходного материала. В связи с этим становится возможной работа с таким расходным материалом, как титан. Плавка расходного материала выполняется лазерным лучом, который изменяет своё направление по горизонтали и вертикали с помощью двух зеркал, меняющих угол своего наклона. При этом мощность лазерного луча позволяет расплавить порошок и получить однородный материал.

Преимущества технологии:

• изготовление деталей сложной геометрии с наличием внутренних

полостей и каналов;

• производство деталей сложной геометрии без изготовления доро-

гостоящей оснастки;

• экономия материала за счёт обеспечения безотходного процесса.

Основной недостаток SLM-технологии связан с использованием вредного газа и невозможностью организации работы дома.

Лазерная прямая обработка металла (Laser-aided Direct Metal Tooling, DMT). Главное отличие DMT-технологии от SLM-технологии за-

ключается в том, как подаётся металлический порошок в рабочую область.

В SLM-технологии каждый раз при опускании рабочего стола наносится очередной слой порошка, который сплавляется лазерным лучом. В DMT-технологии материал доставляется непосредственно в область плавления на поверхности заготовки. В результате происходит совмещение процессов доставки порошка и его плавления.

Технология прямой подачи порошка имеет несколько преимуществ:

• предоставляет возможность печатать объёмные металлические

детали и конструкции «с нуля»;

• предоставляет возможность создавать изделия из разных сплавов,

в том числе изготавливать биметаллические изделия;

• возможность восстановления технологической оснастки;

• нет ограничений на толщину защитных покрытий с жаропрочны-

ми и износостойкими свойствами;

3.2. Технологии 3D-печати

• возможность автоматического воссоздания поверхности заго-

товки;

• нет ограничений по габаритам изготавливаемых изделий.

Электронно-лучевая плавка (EBM). В EBM-технологии вместо лазеров используется электронный пучок для плавки металлических порошков в вакуумной камере. В отличие от спекания плавка обеспечивает монолитность и высокую прочность. При этом в изготовлении деталей повышенной точности применяют материал, который называется металлоглина. Этот материал является смесью органического клея, металлического порошка и воды.

Сегодня на рынке 3D-печати имеются только промышленные EBM-принтеры, основной сферой применения которых является оборонная, космическая, автомобильная и медицинская промышленность.

Преимущества технологии:

• высокоскоростная и высококачественная печать с мелкими дета-

лями;

• улучшенная микроструктура детали по сравнению с методом ли-

тья;

• возможность параллельного изготовления нескольких деталей.

Основной недостаток EBM-технологии заключается в том, что в настоящее время она имеет ограниченную точность, примерно 0,2 мм, что связано с достигнутыми размерами электронного пучка, и в результате получается небольшая шероховатость готовой детали.

Прямое лазерное спекание металлов (direct metal laser sintering, DMLS). Разработчик DMLS-технологии – немецкая компания EOS [6].

Процесс, реализуемый DMLS-технологией, заключается в следующем.

Для создания температуры, необходимой для спекания металлов, используются лазеры, мощность которых обычно составляет 200 Вт. Расходный материал в виде порошка из металла доставляется в рабочую камеру для печати очередного слоя и равномерно покрывает слой. При этом излишки порошка удаляются из камеры, а лазер спекает нанесённый слой порошка. Далее этот процесс повторяется до окончания печати.

Резерв повышения производительности DMLS-процесса заключается в увеличении скорости управления зеркалами, изменяющими ход

3. Технологии 3D-печати

лазерного луча. Особенностью рассматриваемой технологии является повышенное разрешение печати и отсутствие необходимости в создании опор для нависающих деталей конструкции.

Преимущества метода DMLS:

• нет ограничений на геометрическую сложность деталей;

• вес деталей легче по сравнению с литьевым методом;

• прочность создаваемых объектов и безотходность производства;

• низкая стоимость печати.

Недостатки метода:

• невысокая скорость печати относительно аналогичных методов;

• ограниченность типов принтеров для DMLS-технологии.

Основное применение DMLS-технология находит в производстве мелкими партиями изделий небольших габаритов для медицины и аэрокосмической отрасли, а также для выполнения быстрого прототипирования.

Распространёнными расходными материалами для DMLS-принтеров являются сплавы кобальта и хрома, нержавеющая сталь и другие.

3.2.4. Струйная печать

Стуйная 3D-печать – одна из наиболее старых технологий 3D-печати, существующих в мире. Название расшифровывается как Three-Dimensional Printing, что обозначает «трёхмерная печать». Такой формат стал продолжением развития технологии двумерной печати.

Главный принцип 3DP-технологии стандартен: печать изделий производится через сопла экструдеров. При этом в полном соответствии с цифровой моделью детали слои порошкообразного гипса или пластика покрываются связующим материалом. Выполнение этой процедура производится до тех пор, пока не будет получена готовая деталь. При необходимости прочность конструкции можно повысить, выполнив её пропитку воском или полимерами.

3DP-технология имеет обширную сферу применения. При этом возможно производство цветных изделий, навесных конструкций и использование полимеров, которые имеют высокоэластичные свойства и вязкость.

Эта технология была разработана двумя студентами Массачусетского технологического института (MIT) Тимом Андерсоном и Джимом

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 114 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]