Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы компьютерной графики 3D-моделирование и 3D-печать. Учебное пособие
.pdf
3.2. Технологии 3D-печати
41
Бредтом в 1993 г. В 1995 г. Тим Андерсон и Джим Бредт организовали
фирму Z Corporation, благодаря которой и появилась на рынке усовершенствованная 3DP-технология. В 2012 г. эту технологию вместе с фирмой приобрела корпорация 3D-Systems.
Выделяется два типа технологий струйной печати:
1. Разбрызгивание материала. Расходный материал выдавливается
через сопла и затем приобретает твёрдую форму.
2. Разбрызгивание связующего материала. Выполняется процесс
нанесения специального клея на тонкий слой из гипса, полимера или металла.
Камера 3D-принтера состоит из двух элементов: первый элемент
заполняется расходным материалом для изготовления предмета, а во втором элементе выполняется весь процесс принтинга.
Этапы выполнения 3D-печати:
• синтез трёхмерной цифровой модели на компьютере;
• формирование слоя порошка на рабочей поверхности принтера;
• нанесение связующего материала по границам первого слоя мо-
дели;
• опускание рабочей поверхности на один уровень и подъём каме-
ры со связующим материалом на один уровень;
• формирование следующего слоя на рабочей поверхности.
Завершается процесс печати очищением модели от порошка. Среди
преимуществ технологии 3DP можно отметить:
• высокую производительность (6 мм в высоту за час);
• относительно низкую стоимость расходных материалов.
Недостатки технологии 3DP в основном обусловлены:
• хрупкостью моделей из гипса, что ограничивает их использова-
ние;
• одноразовостью пресс-форм;
• появлением пыли при работе с порошком из гипса.
Струйная трёхмерная печать находит применение в разнообразных
сферах. Например, биопечать и кондитерское дело. В процессе биопечати
из живых клеток послойно формируют в соответствии с цифровой моделью необходимый объект органической ткани. Кондитеры могут исполь-
3. Технологии 3D-печати
42
зовать такие принтеры для производства трёхмерных моделей из сахара
для украшения тортов и других изделий.
Так как в качестве расходных материалов часто используется гипс,
то струйную 3D-печать иногда называют гипсовой трёхмерной печатью.
Кроме гипса в качестве расходных материалов можно применять разновидности пластика, металлы, смеси песка. При этом большое значение
имеет требование, чтобы материалы были в порошкообразной форме.
Эксплуатационная практичность изделий зависит от выбранного
варианта постобработки (обжигание, спекание, выплавка).
3.2.5. Многоструйное сплавление
Технология многоструйного сплавления (Multi Jet Fusion, MJF) использует мелкозернистый материал PA 12, который позволяет получать
ультратонкие слои толщиной 80 мк. Это приводит к деталям с высокой
плотностью и низкой пористостью по сравнению с деталями PA 12, произведёнными с помощью лазерного спекания. Это также приводит к исключительно гладкой поверхности прямо из принтера. А функциональные
детали требуют минимальной последующей обработки. Это означает короткие сроки поставки, идеально подходит для функциональных прототипов и небольших серий.
Технологию MJF презентовала компания Hewlett Packar, которая
также предложила перерабатывающее оборудование для подготовки
отходов расходного материала к повторному использованию. Разработчики этого оборудования указывают, что в изделии около 80 % расходного материала будет составлять повторно использованный порошок,
что существенно сокращает естественные отходы технологии до минимальных значений.
Оборудование для подготовки расходного материала к повторному
использованию разработчики предлагают в двух вариантах, которые различаются между собой скоростью охлаждения готовых моделей и неиспользованных порошков перед переработкой. При этом операции по удалению порошка, смешиванию отходов с новым материалом и просеивания
образовавшейся смеси, а также зарядка картриджей являются практически
полностью автоматизированным, что позволяет использовать одного оператора для одновременного обслуживания нескольких систем.
3.2. Технологии 3D-печати
43
Среди преимуществ технологии MJF можно отметить:
• повышенные точность и скорость печати;
• возможность работы в практически безотходном режиме;
• наличие единой интегрированной системы для работы.
• Недостатками технологии являются:
• относительно высокая стоимость расходных материалов;
• большие габариты используемого оборудования.
3.2.6. Технология ламинирования
Технология изготовления ламинированного объекта (Laminated
object manufacturing, LOM). LOM-технология – это процесс быстрого
прототипирования, патентом на использование которой владеет компания
Helisys Inc. В качестве расходных материалов применяются такие обще-
доступные материалы, как пластик, композиты, металлическая фольга,
керамика, бумага, полимерная пленка.
При реализации LOM-процесса выполняется последовательность
склеиваний листового расходного материала с одновременной лазерной
обрезкой контуров каждого слоя. После окончания процесса готовые изделия, как правило, нуждаются в финальной механической обработке.
Вариантом LOM-технологии является SDL-технология, т.е. «Выборочное ламинирование». Такую технологию, например, использует компания Mcor Technologies. В отличие от стандартного LOM-процесса, в
котором применяется лазерная резка, в SDL-процессе благодаря специальному способу нанесения клея стало возможным применять механическую резку высокопрочным лезвием. В результате удалось снизить стоимость оборудования для SDL-технологи. Процесс SDL-печати представляет собой следующую последовательность действий.
1. Очередной слой материала с клейким составляющим в разогретом
виде наносится на предыдущий слой.
2. Внешний контур слоя обходится и режется лазером, а образовав-
шиеся отходы материала удаляются.
3. Рабочая поверхность с очередным готовым слоем перемещается
вниз и в камеру вводится следующий лист материала.
4. Рабочая поверхность поднимается вверх и последовательность
действий повторяется до окончания печати изделия.
3. Технологии 3D-печати
44
После этого выполняют финальную механическую обработку изде-
лия.
Преимущества SDL-печати:
• расходные материалы являются общедоступными, что обеспечи-
вает низкую себестоимость изделия;
• изделия на основе бумажных материалов похожи по физическим
свойствам на древесину, что допускает их механическую обработку;
• возможность изготовления крупногабаритных изделий.
3.2.7. Фотополимеризация
Метод стереолитографии (Stereolithography Method, SLA). Тех-
нология SLA запатентована в 1986 г. и отличается высокой производительностью при создании объектов. В основе технологии лежит процесс
перевода жидкого материала в твёрдую фракцию в результате воздействия луча лазера. Поэтому в SLA-технологии на явлении фотополимеризации основано изготовление твёрдых объектов из жидких материалов.
Рабочая поверхность, способная перемещаться по вертикали, находится в ёмкости с жидким фотополимером. В этой же ёмкости находится
сетчатая платформа как основа для «выращивания» прототипа. В начале
процесса сетку должен покрывать очень тонкий слой полимера, примерно
0,05–0,13 мм. Эта величина фактически определяет толщину слоя в лазерной стереолитографии. Далее лазерный луч воздействует на слой полимера в тех участках, которые определяют стенки изделия. В результате эти
участки становятся твёрдыми. На следующем шаге процесса рабочая поверхность вместе с сеткой перемещается вниз на 0,05–0,13 мм и сетка
снова погружается в полимер на толщину слоя. Процесс повторяется до
готовности объекта, после чего его помещают в отдельную ёмкость для
полной очистки. Последней стадией процесса является облучение готового объекта ультрафиолетом для его окончательного затвердевания.
Преимущества технологии:
• создание деталей любой сложности;
• лёгкая обработка созданного изделия;
• повышенная точность и качество созданной поверхности;
• пониженный шум при изготовлении деталей.
3.2. Технологии 3D-печати
45
Недостатки технологии:
• деформируется под действием атмосферной влаги;
• механическое удаление стержней поддержки в прототипах;
• выполнение финальной засветки для окончательного отвердева-
ния.
Метод цифровой светодиодной проекции (Digital Light Processing,
DLP). Технология DLP является разновидностью стереолитографической
3D-печати. Здесь в качестве расходных материалов применяются полимеры, которые под воздействием ультрафиолета становятся твёрдыми. В отличие от SLA-технологии, где для затвердения полимера используется лазерный луч, в DLP-процессе применяются цифровые светодиодные проекторы (DLP). Лазерный луч сканирует поверхность полимера, а в DLP-процессе светодиодные проекторы засвечивают сразу весь слой полимера до
его затвердевания. Затем наносится новый слой полимера и процесс повторяется. Такой подход привел к удешевлению 3D -печати.
Сегодня DLP-принтеры используются в производстве изделий ма-
шиностроения, стоматологии, ювелирных изделий и в других отраслях.
Преимущества технологии:
• относительно высокая точность 3D-печати;
• широкая номенклатура применяемых расходных материалов (от
твердых пластиков до резины) и их низкая стоимость.
Недостатки:
• одноцветная печать, но ограничений по цветам нет;
• относительно низкая скорость печати.
PolyJet-технология трёхмерной печати, в которой в качестве расходного материала используется жидкий фотополимер, а для его отверждения применяются ультрафиолетовые лампы.
В технологии PolyJet применяются принтеры серии Objet. В этих
принтерах печатающая головка совмещает функции распыления тонкого
слоя полимера и его отверждения под воздействием ультрафиолета. При
этом каждый нанесённый слой практически сразу подвергается полимеризации ультрафиолетом. После этих операций готовое изделие, как правило, не требует финальной механической обработки поверхности и практически готово к использованию.
3. Технологии 3D-печати
46
В зависимости от применяемого расходного материала изделию
можно придать различные свойства с теми или иными механическими,
термическими, электрическими или химическими характеристиками.
Преимущества технологии:
• достаточно гладкая поверхность изделий, которая практически
готова к покраске;
• точные и стабильные геометрические размеры изделий и их хо-
рошие механические свойства.
Недостатком является довольно высокая себестоимость печати.
Многоструйное моделирование (Multi Jet modeling, MJM). Эта
технология трёхмерной печати похожа на струйную технологию, но печатающий блок MJM-принтера состоит из множества от 96 до 448 очень
маленьких сопел, сгруппированных в несколько рядов. Причём размеры
сопла соответствуют принципу: одно сопло – одна мельчайшая капля расходного материала для создания объекта.
В MJM-процессе печатающая головка перемещается вдоль рабочего стола и наносит слой жидкого фотополимера. За печатающей головкой
синхронно движется ультрафиолетовая лампа, под воздействием которой
нанесённый слой жидкого фотополимера отвердевает. Этот процесс повторяется до создания готового объекта.
В качестве расходного материала наиболее широко используются:
• высокоточный полупрозрачный пластик (VisiJet Crystal);
• высокоточный белый пластик (VisiJet X).
При MJM-печати, кроме перечисленного расходного материала,
применяется вспомогательный материал (VisiJet S300), который представляет собой восковую структуру для создания опор под навесные элементы
объекта. В конце процесса печати восковой материал выплавляется.
MJM-технологию выгодно отличают следующие преимущества:
• готовые объекты отличаются гладкостью поверхности и каче-
ственной детализацией;
• большой выбор исходных материалов (в том числе, восковых);
• высокая механическая прочность готовых изделий, выдерживаю-
щих температуру до 100 °С.
В качестве недостатков можно отметить относительно низкую скорость печати и большой вес принтеров.
3.3. Расходные материалы для 3D-печати
47
3.3. Расходные материалы для 3D-печати
Познакомимся с наиболее представительными группами расходных
материалов, которые используются при создании различных объектов в
процессе 3D-печати – полимерами и металлами.
3.3.1. Фотополимеры
Фотополимеры представляют собой универсальные пластики, которые в целом отличаются прочностью, упругостью, температурной устойчивостью, прозрачностью, что обеспечивает создание качественных изделий с
заданными свойствами. Рассмотрим наиболее популярные, протестированные пластики, широко применяемые в современной 3D-печати.
ABS-пластик. Наиболее широко среди расходных материалов для
процесса трёхмерной печати применяется ABS-пластик, который является
ударопрочным. Вследствие этого он способен противостоять интенсивному механическому воздействию. Другими положительными моментами
является тот факт, что ABS-пластик выдерживает температуру 100°C, не
создаёт трудностей при механической обработке. Кроме того, пластик
легко растворяется в ряде растворителей. Это позволяет применять композиционный метод изготовления моделей, т.е. их формирование из составных частей путем склеивания. Свойство легкой растворимости используют
также для сглаживания поверхностей модели и обеспечения её герметичности за счёт воздействия парами растворителя на готовый объект. Указанные
достоинства позволяют использовать данный материал для создания всевозможных объектов, находящих практическое применение.
Наряду с указанными достоинствами ABS-пластик имеет относительно высокую способность к усадке. В результате создаются некоторые
технологические трудности, а также могут возникать деформации и расслоения модели. Этот недостаток в основном устраняют за счёт организации подогрева рабочих поверхностей и климатического контроля в камере
3D-принтера.
PLA-пластик. Популярным расходным материалом, применяемым
в процессе 3D-печати, является PLA-пластик или полилактид. Этот термопластичный полиэфир среди других расходных материалов самый эко-
3. Технологии 3D-печати
48
логически чистый. Сырьём для его производства являются биологические
отходы, например сахарная свекла или силос кукурузы. В связи с этим
свойством (очень низкая токсичность) PLA-пластик широко применяется
в производстве детских игрушек. Недостаток пластика обусловлен его
недолговечностью и постепенным разложением.
При регулярной эксплуатации изделия из PLA со временем изнашиваются. Поэтому для добавления прочности его смешивают с ABS.
Материал отлично подходит для печати объектов различных размеров.
Фотополимер Clara A. Большинство фотополимеров – это белые
непрозрачные материалы. Высокие требования к прозрачности, бесцветности и отсутствию пузырьков пока определяют их высокие цены, что
увеличивает себестоимость 3D-печати. В связи с этим важно создание
бесцветных фотополимеров с высокими показателями прозрачности, не
образующих пузырьков и конкурентоспособных по стоимости.
В результате разработки материала Clara A получился полимер с
очень высокими показателями прозрачности, водостойкости и геометрической стабильности, с течением времени не меняет цвет, а при формовке
не образуются пузырьки. Готовые объекты имеют гладкую поверхность,
отличаются точными размерами, прочностью и удароустойчивостью.
Clara A используется для изготовления комплектующих деталей в автомобильной, электронной и электротехнической отраслях.
Фотополимеры Formula L1 и Formula W. Эти материалы можно
назвать альтернативой ABS-пластику, сходство с которым – непрозрачный белый цвет, влагостойкость и устойчивость к изменению цвета. Не
вдаваясь в подробности, можно сказать, что оба пластика Formula являются высокопрочными, термостойкими и хорошо поддающимися обработке
материалами. Такие показатели позволяют использовать фотополимеры
серии Formula как многоцелевые материалы – от создания функциональных прототипов до производства небольших партий изделий.
Фотополимеры серии Magna. Отличительная черта – термостой-
кость (до 70–90)°C, что объединяет их с ABS-пластиком и по внешнему
виду и по физическим характеристикам. Простота изготовления и высокая
детализация позволяют применять фотополимеры Magna для различных
целей в автомобилестроении, производстве термостойких объектов, в
3.3. Расходные материалы для 3D-печати
49
электротехнике и электронике, в ортодонтии и во многих других сферах.
При этом поверхности готовых объектов отличаются гладкостью и практически не нуждаются в постобработке, что сокращает производство готовых изделий. Кроме того, например, материал Magna L100 имеет устойчивость к растворителям и маслам, а Magna W120 выдерживает температуры до 90°C и агрессивным средам.
Фотополимеры Robusta (G и LR). Фотополимер Robusta G отли-
чается высокой точностью и прочностью, фактически может заменить
полипропилен или ABS-пластик. Является хорошим материалом для изготовления функциональных прототипов, различного вида крепежа и других
целей. Полимер Robusta LR имеет повышенные характеристики на разрыв, термостойкость и ударную прочность.
Фотополимер Flexa W. Практически является аналогом полипро-
пилена с высокой гибкостью, прочностью и влагоустойчивостью. Применяется в производстве зажимных деталей с точной подгонкой. Имеет яркий, глянцевый, белый цвет, что всегда выделяет его на общем фоне.
Называя в качестве материала для технологии 3D-печати гипс,
имеют в виду специальный мелкодисперсный композитный порошок на
гипсовой основе, который окрашивается в заданный цвет во время склеивания слоев. Толщина слоя печати – 100 микрон. Этот материал позволяет
получать изделия высокой степени детализации. К тому же для построения сложных объектов не нужен отдельный материал поддержки. Неиспользованный при печати порошок затем просеивается и используется для
прототипирования новых изделий.
3.3.2. Металлические порошки
Металлический порошок также часто используется как материал
для 3D-печати. Очевидный плюс моделей из металла – более высокая
прочность в сравнении с другими типами материалов.
3D-печать металлами уже зарекомендовала себя как эффективное
решение, способное в разы сократить временные и материальные издержки
при производстве прототипов, небольших деталей и геометрически сложных объектов. Использование металла в качестве расходного материала в
процессе 3D-печати позволяет заменить технологию литья с механической
3. Технологии 3D-печати
50
обработкой на получение непосредственно изделия с заданными эксплуатационными параметрами. При этом изготовление металлопорошков с определёнными свойствами становится важнейшим направлением в совершенствовании технологий трёхмерной печати на основе металла. Рассмотрим
некоторые основные особенности металлических порошков.
1. Металл для 3D-печати представляет собой мелкодисперсные гра-
нулы, а размер гранул (зерна) напрямую влияет на толщину изготавливаемого объекта. В связи с этим для металлического порошка необходимо
задавать размер зерна и процентное соотношение крупных и мелких зерен. Эти два показателя влияют на текучесть металла. Например, при
очень мелком зерне возникают проблемы с подачей порошка через воронку на рабочую поверхность принтера, что снижает качество изготавливаемого изделия.
2. Производители 3D-принтеров, могут использовать разные спосо-
бы нанесения порошка на рабочую поверхность, поэтому они определяют
свои требования к текучести.
3. Разные металлы нуждаются в разной термообработке, что часто
реализуется посредством подогревания рабочей поверхности. Так как
процесс плавления металла связан с выделением большого количества
тепла, то возникает вопрос его эффективного отвода.
4. Структура объектов, выполненных трёхмерной печатью, опреде-
ляется технологией выращивания и настройками оборудования. Ведущие
компании освоили плотности металла до 99,9 %. Однако используются и
менее эффективные технологии, обеспечивающие меньшую плотность.
5. Так как внутренняя структура металла является мелкозернистой,
то необходимо учитывать, что чем мельче зерно, тем сложнее его уплотнить. Как правило, плотность объектов 3D-печати до (10–15) % меньше,
чем плотность, достигаемая при прокате металла, но на 50 % выше плотности металлов, полученных литьём.
В настоящее время в технологиях 3D-печати применяются более
двух десятков материалов, среди которых инструментальные, нержавеющие, жароупорные сплавы, а также алюминиевые, титановые и сплавы из
кобальта и хрома. При этом у технолога есть возможность выбора сплава
с необходимыми свойствами для изготовления конкретного объекта.
Наиболее распространённой технологией, обеспечивающей требуемый размер зерна и некоторые дополнительные параметры при произ-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]