Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

babkin_oe_monografiya_3d_maketirovanie

.pdf
Скачиваний:
85
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
2.08 Mб
Скачать

О. Э. БАБКИН

3D МАКЕТИРОВАНИЕ:

ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ,

МАТЕРИАЛЫ

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ

2013

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ – ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

О. Э. Бабкин

3D МАКЕТИРОВАНИЕ: ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ

Монография

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ

2013

1

УДК 7.021.23 : 678.5 ББК 32.973.26 – 04 Б12

ISBN 978-5-94760-130-5

Бабкин О.Э. 3D макетирование: технологии, оборудование, материалы: Монография. – СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2013. – 97с.

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор И.А. Толмачев, СПбГТИ (ТУ); кандидат технических наук А.С. Дринберг,

ООО «НИПРОИНС ЛКМ и П с ОП»

Издание посвящено изучению одного из вопросов современного инжиниринга – трехмерному проектированию объектов различного назначения (3D макетированию).

3D макетирование относится к быстроразвивающимся, перспективным технологиям и в данный момент является приоритетным направлением в области техники и технологии.

В монографии представлен обзор существующих на данный момент технологий трехмерного макетирования, сделан анализ представленного на 2013 г. оборудования и материалов.

Отдельный раздел посвящен непосредственно материалам – фотополимеризующимся композициям, характерным особенностям и способам их приготовления.

Издание рассчитано на широкий круг читателей.

Рекомендовано к изданию в качестве монографии Методическим советом факультета фотографии и технологий дизайна.

Протокол № 8 от 22 мая 2013 г.

© СПбГУКиТ, 2013 © О.Э. Бабкин, 2013

2

Оглавление

Введение…………………………………………………………

4

§ 1. Технологии, применяемые в 3D печати………………….

7

SLA-процесс………………………………………………. 9 SGC-процесс…………………………………………….... 13 SLS-процесс………………………………………………. 14 LOM-процесс……………………………………………... 17

Прочие процессы………………………………………….

18

§ 2. Оборудование 3D печати. 3D принтеры…………………

21

3D принтеры серии ProJet………………………………...

21

Настольные 3D принтеры серии СubeХ…………………

33

3D принтеры серии EnvisionTec………………………….

35

§ 3. Материалы для 3D макетирования. Фотополимеры…….

39

Механизм полимеризации…………………………………

42

Состав фотополимеризующихся композиций……………

52

Промышленные составы фотополимеризующихся

 

композиций…………………………………………………

65

§ 4. Проекты и перспективы развития…………………………

77

Проект RepRap……………………………………………..

77

Проект 3D макетирования изделия по его

 

голографическому образу………………………………….

82

Заключение………………………………………………………

89

Библиографический список…………………………………….

91

Приложения ……………………………………………………..

95

3

Введение

Макетирование, в широком масштабе этого слова, пред-

ставляет собой процесс изготовления объектов из различных ма-

териалов в соответствующем масштабе. В качестве материалов может выступать все, что имеется под рукой – гипс, глина, ка-

мень, дерево, бумага, картон, пластмасса и др. А имея реальную физическую модель будущего изделия (иначе говоря, прототип),

можно выявить и устранить различные ошибки при корректи-

ровке любого процесса, будь то конструирование, инжиниринг или дизайн. Кроме того, прототип изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа общей конструкции – вплоть до проведения функциональных тестов, а общая модель, в свою очередь, может понадобиться для изготовления отдельной инструментальной оснастки. Прототип сам по себе может применяться в маркетинговых целях (напри-

мер, в изготовлении рекламы), или в стоимостной оценке про-

цесса изготовления, или, ускорении взаимопонимания между проектировщиками и заказчиками, что сокращает время выхода продукта на рынок.

Современное 3D макетирование имеет широкие возможно-

сти, например, компьютерная графика. Самым наглядным, без-

условно, является 3D графический дизайн. Но более визуализи-

рованным вариантом являются объекты, полученные на 3D

принтерах, позволяющих к тому же варьировать масштаб прото-

4

типов – от реальных размеров проектируемого изделия до уменьшенных в любых пропорциях макетов.

Характерной особенностью макетирования на 3D принтерах

(3D макетирования, быстрого прототипирования, RP, Rapid Prototyping) является то, что изделия выполняются из современ-

ных материалов, например, антивандальных, позволяющих мно-

гократно использовать макеты без специальных условий хране-

ния и эксплуатации (тем самым снимаются ограничения по пере-

падам температур и влажности). Или биоактивных и/или биосо-

вместимых материалов, что позволяет использовать полученные объекты в медицине, в частности – в травматологии, трансплан-

тологии и стоматологии.

Материал для печати на 3D принтерах (3D печати), заранее выбирается в зависимости от необходимых функций. Чаще всего это так называемые светочувствительные полимеры, или просто

– фотополимеры (правильное название – фотополимеризующие-

ся композиции, ФПК), а также композитные материалы на осно-

ве гипса, целлюлозы, керамики, крахмала, литейного порошка и различных добавок, позволяющих обеспечить требуемую функ-

циональность материала, например, высокую точность, проч-

ность, цветность и пр.

Преимущества 3D печати по сравнению с традиционными способами изготовления прототипов неоспоримы: 3D печать ус-

коряет и повышает точность и качество процесса макетирования,

к тому же уменьшает время разработки продукта и ускоряет его выход на рынок, что позволяет эффективнее организовать пре-

5

зентацию новых бизнес-проектов.

В настоящее время с помощью технологии RP объёмный прототип (макет) изготавливается с высокой точностью, в крат-

чайшие сроки и с наименьшими затратами.

Макетирование с использованием 3D принтеров – уникаль-

ная быстроразвивающаяся технология, позволяющая изготовить модели любого уровня сложности, сводя к минимуму возмож-

ность допущения ошибки во время процесса изготовления маке-

та и резко сокращая продолжительность производственного цик-

ла.

6

§ 1. Технологии, применяемые в 3D печати

Примерно с начала 80-х гг. XX века интенсивно развивают-

ся технологии формирования трехмерных объектов без исполь-

зования механической обработки (точение, фрезерование, элек-

троэрозионная обработка, ковка, штамповка, прессовка). На се-

годняшний момент наиболее перспективными являются техноло-

гии быстрого (их еще иногда называют «оперативного») прото-

типирования, сущность которых заключается в послойном син-

тезе или послойном «выращивании» модели (или готового изде-

лия) непосредственно по электронным данным – компьютерной

CAD-модели (Computer-Aided Design). Иначе говоря, стали дос-

тупными технологии быстрого прямого преобразования компью-

терной модели в физический, осязаемый объект (сущность мето-

да отражена на рис. 1).

2

3

4

5

6

1

7

Рис.1. Послойное выращивание объекта:

1 – управляющий компьютер; 2 – лазер; 3 – акустооптический затвор; 4 – двухкоординатный (X-Y) сканатор; 5 – элеватор (Z-координата); 6 – емкость с исходным материалом (7)

7

Суть послойного выращивания объекта (рис.1) заключается в следующем. На предварительном этапе 3D макетирования в ка-

честве исходных данных процесса создается трехмерная матема-

тическая модель изделия, представленная в формате *.STL, на-

зываемом иначе форматом стереолитографии.

В этом формате информация об объекте включает список треугольных граней (триангулированная грань), которые описы-

вают поверхность его твердотельной модели с заданной точно-

стью. Основой непосредственно процесса макетирования являет-

ся лазер, который последовательно переводит поперечные сече-

ния модели на поверхность емкости с исходным материалом. В

зависимости от выбранного материала для макетирования изде-

лия (а выбор, как уже упоминалось ранее, ограничен только функциональностью будущего изделия), происходит либо физи-

ческий процесс (спекание, склеивание, сплавление), либо хими-

ческая реакция (фотополимеризация). Исходный материал под воздействием активного излучения претерпевает изменения, за-

твердевая в месте непосредственного воздействия лазера. Затем новый слой материала наносится на уже затвердевший, и новый контур намечается лазером, т.е. формирование изделия происхо-

дит послойно, по заданной программе. Процесс повторяется до завершения построения модели.1

В принятой мировой терминологии эти технологии также известны как RP & M (Rapid Prototyping and Manufaсturing) или

__________

1 Евсеев, А.В. Послойное изготовление деталей из жидких фотополимеризующихся композиций излучением eCl лазера [Текст]/ А.В. Евсеев, М.А. Марков // Квантовая электроника, 1994. – Т.21, № 5. – С. 495-498.

8

просто RP (Rapid Prototyping), FFFF (Farst Free Form Fabrication), CARP (Computer Adied Rapid Prototyping), САПР.

Макетирование на 3D принтерах (быстрое прототипирова-

ние), поскольку не требует изготовления специальной оснастки и минимизирует ручной труд, используется для изготовления опытных, единичных, эксклюзивных и уникальных образцов, а

также в машиностроении, электронной и электротехнической промышленностях, полиграфии, медицине, ювелирном деле, ар-

хитектурном моделировании и т.д. В большинстве случаев его использование приводит к получению формы или модели, кото-

рая применяется при подготовке реального производства.

В 3D печати применяются две принципиальные технологии:

лазерная и струйная. К лазерным технологиям относятся лазер-

ная печать, лазерное спекание или сплавление, и ламинирование.

К струйным технологиям относятся застывание материала при охлаждении, полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолета, печать на биопринтерах.

SLA-процесс

Cтереолитический SLA-процесс (Stereo Lithography Apparatus, стереолитография) – создание трехмерной модели из-

делия (прототипа) методом послойного отверждения фотополи-

мера под воздействием луча лазера, движение которого запро-

граммировано компьютером.

Принцип был изобретен и запатентован Чарльзом Халлом

9