1 Технология изготовления образца меры с помощью технологии 3D печати
С начала нового тысячелетия понятие «3D» прочно вошло в нашу по-вседневную жизнь. 3D-печать, также известная как «аддитивное производ-ство» представляет собой процесс создания цельных трехмерных объектов любой геометрической формы на основе цифровой модели. 3D печать предо-ставляет возможность любому желающему легко создавать предметы разной формы. В отличии от громадных машин, установленных на заводах, совре-менные настольные 3D принтеры компактные и достаточно простые, чтобы начать работать без какой-либо подготовки.
1.1 История 3D печати
История печати объемных образцов насчитывает уже почти три деся-тилетия. Появление первых устройств 3D принтеров относится к началу 1980-х годов, когда доктор Хидео Кодама в Японии разработал систему быстрого прототипирования с использованием фотополимеров. Принцип ра-боты аппаратов был таким же, как и в современных 3D принтерах – распеча-танный объект создавался послойно в соответствии с моделью.
Прогрессом в этой области стало изобретение стереолитографии Чарль-зом Халлом в 1984 году. Благодаря этой технологии появилась возможность производить на 3D принтерах объекты по изображениям. В качестве материа-ла также использовался фотополимер, жидкое вещество на основе акрила. Под воздействием лучей УФ-лазера материал моментально застывал и пре-вращался в пластиковый объект, принимая необходимую форму. Разумеется, это изобретение произвело переворот в среде разработчиков, которые теперь могли создавать прототипы с гораздо меньшими издержками. В начале 1990-х годов компания Чарльза Халла, 3D Systems Corporation (которая и сегодня является одним из лидеров отрасли) начала производство аппаратов, работа-ющих по технологии лазерной стереолитографии из фото-полимеров (SLA). В то же время, стартап DTM получил патент на изобретенную Карлом Декар-дом (из Техасского университета) технологию селективного лазерного спека-ния (SLS), где вместо жидкого материала воздействию лазера подвергался порошок. Третья технология, моделирование методом наплавления (FDM), была разработана в тот период под руководством Скотта Крампа в компании Stratasys и используется до сих пор, в основном, в базовых моделях 3D-принтеров.
Разумеется, самые первые аппараты не были совершенными, при за-твердевании материала объект часто искривлялся. Несмотря на свои недо-статки и высокую стоимость, такие технологии, как стереолитография, без-условно, обладают огромным потенциалом, который продолжает исследо-ваться и сейчас.
В дальнейшем в развитии технологий 3D-печати наметилось два основ-ных направления. Первое – это высокотехнологичные исследования, в рамках которых создаются очень дорогостоящие системы 3D-принтеров, предназна-ченные для производства сложных и специальных деталей. Эта сфера разви-вается и сейчас, а результаты разработок применяются в аэрокосмической от-расли, автомобилестроении, медицине и ювелирной промышленности. Мно-гие исследования такого рода остаются засекреченными и защищены услови-ями неразглашения информации.
С другой стороны, противоположная тенденция – развитие повседнев-ного функционала 3D-принтеров, что сделало их доступными более широкой аудитории. Был начат процесс внедрения открытых разработок, расширения спектра используемых материалов, повышения скорости и точности устройств и сокращения издержек. Важнейшей инициативой с точки зрения демократизации 3D-печати стал запущенный доктором Адрианом Боуэром проект RepRap, идея которого – создать 3D-принтер, производящий соб-ственные детали. Таким образом, устройство фактически воспроизводит само себя, становится широкодоступным и недорогим, что дает многим людям возможность пользоваться достижениями 3D-печати на бытовом уровне, у себя дома.
В результате ценовой войны среди игроков рынка стоимость 3D-принтера для потребителя продолжает падать и достигать рекордно низких отметок. В то же время продолжается стремительное развитие технологий и внедрение инноваций. Количество новых разработок, представляемых еже-дневно, поражает воображение, и трудно сказать, в каких отраслях 3D-печать еще не применяется. Во времена первых 3D-принтеров невозможно было представить себе, какие горизонты откроет эта технология уже через пару де-сятилетий. Многие называют это новой промышленной революцией – и все только начинается.
1.2 Классификация 3D принтеров
Информации о 3D печати огромное количество, поэтому в первую оче-редь будет краткая теория о различных технологиях печати 3D принтеров.
1.2.1 Технология FDM – печати
Аббревиатура Fused Deposition Modeling в переводе на русский звучит как «моделирование методом послойного наплавления». Это самая распро-страненная и простая технология печати, благодаря которой 3D принтеры общего назначения стали доступны не только производственным и коммерче-ским организациям, но и частным лицам.
Идея технологии принадлежит Скотту Крампу, талантливому разработ-чику. Патент датируется 1988 годом. Также он является одним из основате-лей компании Stratasys, лидирующей в производстве 3D принтеров.
Файл для печати создаётся в формате STL (StereoLithography), который позволяет сегментировать виртуальную модель на слои. В пакете программ-ного обеспечения обязательно присутствует слайсер, который считывает дан-ные с оригинал-макета и нарезает его на слои.
Цикл работы FDM-принтера (рисунок 1.1) можно разбить на несколько этапов:
1) процесс печати запускается электронными блоками управления и происходит в точном соответствии с алгоритмами загруженного G-code;
2) филамент (термоплавкий пластик в виде нити или прутка) поступает в печатающий блок принтера и под воздействием высокой температуры нагревается;
3) расплавленный пластик выдавливается через отверстие в металличе-ском сопле и наносится сначала на рабочую поверхность принтера, а затем на уже напечатанные слои;
4) пластиковая заготовка наращивается снизу вверх путем склеивания слоев горячего филамента между собой. При необходимости слои изделия чередуются со слоями элементов поддержки;
5) после завершения печати заготовке дают остыть и снимают с рабоче-го столика.
Рисунок 1.1 – Цикл работы FDM принтера
1.2.2 Технология SLA – печати
Стереолитография – это процесс аддитивного производства, результат в котором достигается по средствам полимеризации смолы. В SLA печати, объ-ект создается путем селективного отверждения полимерной смолы, слой за слоем, с использованием ультрафиолетового (УФ) лазерного луча. Материа-лы, используемые в SLA печати, представляют собой светочувствительные термореактивные полимеры, которые выпускаются в жидкой форме.
Процесс печати по технологии SLA (рисунок 1.2):
1) в резервуаре с жидким фотополимером размещается платформа, на одном уровне высоты от поверхности смолы;
2) УФ-лазер селективно отверждает необходимые участки фотополи-мерной смолы по заранее установленному алгоритму. Лазерный луч фокуси-руется на заданном пути с помощью набора зеркал, называемых гальвосами. Затем происходит засветка всей площади поперечного сечения модели. По-этому полученная деталь получается полностью цельная;
3) когда один слой закончен, платформа перемещается на безопасное расстояние, и лапка-перемешиватель внутри ванны перемешивает смолу.
Так и повторяется этот процесс до тех пор, пока деталь не будет напе-чатана. После печати деталь находится в не совсем отвержденном состоянии и требует дальнейшей постобработки под УФ лампой. По окончании УФ за-светки деталь приобретает очень высокие механические и термические свой-ства.
Жидкая смола затвердевает с помощью процесса, называемого фотопо-лимеризацией: во время затвердевания углеродные цепи мономера, из кото-рых состоит жидкая смола, активируются под воздействием ультрафиолето-вого лазера и становятся твердыми, создавая прочные неразрывные связи друг с другом.
Процесс фотополимеризации необратим, и не существует способа пере-вести полученные детали обратно в жидкое состояние. При нагревании они будут гореть, а не плавиться. Это потому, что материалы, которые произво-дятся по технологии SLA, сделаны из термореактивных полимеров.
Рисунок 1.2 – Схема работы SLA принтера
1.2.3 Технология SLM – печати
SLM – выборочная лазерная плавка. Этот метод аддитивного прототи-пирования основан на использовании волоконного лазера высокой мощности. Основной расходный материал – порошковый металлический сплав.
SLM позволяет печатать объекты с точностью в пределах 20-100 мкм, в качестве чертежа будущего изделия используется макет в формате STL. На рабочую поверхность (рисунок 1.3), которая находится в заполненной инерт-ным газом (преимущественного аргоном) камере, наносится тонкий слой по-рошка. Полное отсутствие контакта металла с кислородом препятствует его окислению, что дает возможность работать даже со сложными с точки зрения обработки титановыми сплавами. Каждый новый слой сплавляется с преды-дущим под воздействием направляемого в координатной плоскости лазерного луча. В качестве расходного материала используется нержавеющая и инстру-ментальная сталь, золото, серебро, алюминий, титан и сплавы на основании кобальта и хрома. Эта технология считается лучшей для изготовления тонко-стенных объектов со сложной геометрией.
Рисунок 1.3 – Схема технологического процесса SLA
1.2.4 Принцип работы SLS – принтера
Еще одна технология аддитивного производства, применяемая для пе-чати функциональных прототипов и в мелкосерийном производстве. Ее суть в последовательном послойном спекании порошкового расходного материала с использованием высокомощных лазеров.
Разница между SLS и SLM методами колоссальна. Первый обеспечива-ет только частичное плавление порошкового сырья, степень которого доста-точна для того, чтобы обеспечить надежное сцепление слоев. Вторая основана на полной плавке и применяется для производства монолитных моделей.
Пластики и металлы в виде порошка обрабатываются одним или не-сколькими углекислотными лазерами – спекаются до образования физическо-го объекта. Его контуры постепенно вычерчиваются в соответствии с цифро-вой моделью (рисунок 1.4). Особенность изготовленных таким методом объ-ектов в том, что их плотность определяется максимальной энергией излуча-теля. Еще одна характерная черта – полное отсутствие необходимости ис-пользования опорной структуры, которая характерна для FDM и SLA, так как поддержка навесных элементов будущей модели обеспечивается неизрасхо-дованным материалом.
Рисунок 1.4 – Схема SLS – принтера
1.2.5. Технология DMLS – печати
DMLS – прямое лазерное спекание. Эта методика разработана известной мюнхенской компанией EOS и применяется для производства изделий из ме-талла. Файл в формате STL перед запуском печати разделяют на чертежи, каждый из них – это один из слоев, который создается при построении моде-ли. Спекание металлического порошка обеспечивают достаточно мощные оптоволоконные лазеры. Небольшое количество металла подается в камеру построения и разравнивается с помощью специального валика. Лазерная го-ловка двигается по заданным в чертеже контурам и спекает свежий порошок в соответствии с контуром будущего изделия, и так до тех пор, пока перед вами не окажется готовый объект. Главная особенность этой технологии – высокая точность, толщина слоя достигает 20 мкм (для сравнения – большинство пер-сональных FDM принтеров обладают максимальной точностью 100 мкм). Увеличение количества лазеров позволяет существенно сократить время про-тотипирования без ущерба для точности – сегодня это одна из наиболее про-изводительных профессиональных промышленных технологий.
Рисунок 1.5 – Схема DMLS –принтера
1.2.6 Технология EBM – принтера
EBM – электронно-лучевое плавление. Еще одна аддитивная техноло-гия для работы с металлами, несколько напоминающая технологию SLM, од-нако она отличается более высокой производительностью. Ключевое отличие от других методов быстрого прототипирования в качестве источника энергии в этом случае вместо лазера используется электронный излучатель. В процес-се плавки высокомощный электронный пучок воздействует на металлический порошок, который находится в вакуумной камере построения. Слои будуще-го объекта выращиваются постепенно, без контакта с кислородом и другими активными газами, чем и обеспечивается высокая плотность и прочность ито-гового изделия. Это и есть главное преимущество EBM.
Рисунок 1.6 – Схема работы EBM – принтера
1.2.7 Процесс работы LOM – принтера
LOM – трёхмерное ламинирование. Этот метод разработан известной в мире 3D компанией Helisys Inc и относится к технологиям быстрого прототи-пирования. Работа принтера заключается в последовательном послойном склеивании пленочных или листовых материалов (металлической фольги, пластика и даже бумаги). Контур каждого нового слоя определяется парамет-рами лазерной резки. Процесс печати выглядит следующим образом: на рабо-чую платформу помещают первый слой материала с предварительно нанесен-ным клеевым слоем, лазер вычерчивает контур будущего изделия, лишний материал отсекается, платформа с готовым слоем сдвигается вниз, в камеру подается новый лист. Трёхмерное ламинирование позволяет изготавливать плотные и крупногабаритные изделия, хорошо реагирующие на постобработ-ку. Особенности LOM – это необходимость постобработки готового объекта, а также то, что толщина слоя зависит от выбранного материала производства. Это – наиболее доступный и недорогой метод 3D прототипирования ввиду невысокой стоимости расходников.
Рисунок 1.7 – Технология работы LOM – принтера
1.3 Литье металлов
Прямая печать изделия, которая уже внедрена на многих современных производствах, с экономической точки зрения дороже, чем традиционное ли-тье. Поэтому 3D-печать моделей для выплавления и выжигания, а также син-тез уже готовых для литья форм и стержней, вызывает особый интерес.
Литье металла – это востребованный технологический процесс, который позволяет изготавливать металлические изделия нужной формы. Проводится отливка из разных сплавов, обладающих той или иной степенью жидкотеку-чести в расплавленном состоянии.
Такой способ выполнения позволяет выпускать качественную продук-цию без применения громоздкого оборудования и огромного количества ра-ботников. На современном рынке эта технология пользуется огромным спро-сом, а также входит в десятку самых эффективных и применяемых в мире.
В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке.
Для разных видов сплавов используется определенная технология ли-тья, позволяющая добиться нужных качеств в готовом изделии и избежать брака. Для литейного производства используются разные виды компонентов. Они обладают высоким показателем жидкотекучести. Это свойство сплава определяется:
? химическим составом;
? структурой металлического сплава;
? температурой плавления.
Наиболее востребованными в промышленности являются металлы, имеющие низкую температуру плавления, так как их производство менее за-тратное. Чем ниже температура плавления материала, тем легче производится его отливка.
Можно выделить следующие особенности использования литья в про-изводстве:
? возможность получать изделия с массой от нескольких грамм до сотен тонн, со сложной геометрией и разнообразными механическими и экс-плуатационными свойствами;
? возможность получения изделий, материалы или габариты кото-рых делают невозможным или невыгодным создание их другими методами;
? отливки максимально приближены, по размерам и форме, к гото-вым изделиям, в отличие от заготовок, полученных объемной горячей штам-повкой или ковкой.
1.4 Литье пластмасс
Литье под давлением (литьё пластмасс) — метод изготовления изделий из полимерных материалов, в результате разогрева пластмассы до вязкотеку-чего состояния и впрыска его в сомкнутую литьевую форму (пресс-форму), где пластик приобретает конфигурацию внутренней полости пресс-формы и затвердевает.
Литье полимеров и пластмасс под давлением применяется в производ-стве средних и крупных партий изделий, когда необходимо изготавливать продукцию одинаковой формы и размеров в короткие сроки.
Партии до 10 000 изделий чаще изготавливают на полуавтоматических инжекционно-литьевых машинах. Крупные тиражи на автоматических – ТПА. Термопластавтомат (ТПА) — инжекционно-литьевая машина, применяемая для изготовления деталей из термопластов методом литья под давлением.
Основные отличия литья пластмасс под давлением:
? высокое качество литья;
? процесс литья происходит мгновенно;
? низкая себестоимость одной отливки.
Рисунок 1.8 – Технология литья под давлением
1 – вращение, 2 – термопластичный пластик в гранулах, 3 – загрузочная воронка, 4 – камера нагрева, 5 – литник, 6 – разборная литьевая форма (пресс-форма), 7 – изделие
1.4.1 Изготовление пресс-форм для литья пластмасс под давлением
Важный этап в данной технологии литья пластика – подготовительный этап. Он заключается в создании пресс-формы для литья. Данный процесс яв-ляется самым длительным и дорогостоящим этапом, так как качество фи-нального изделия зависит, непосредственно, от качества изготовления пресс-формы.
Производство одной пресс-формы занимает от 1 месяца. Ресурс у такой формы огромный, и рассчитан на много лет службы и миллионные партии от-ливок.
1.4.2 Материал для литья под давлением
В основном в литье под давлением используют термопластичные пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинил-хлорида, фторопластов, полиамидов и других полимеров.
Термопластичные пластмассы – полимерные материалы, способные об-ратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязкотекучее со-стояние.
При обычной температуре термопласты находятся в твёрдом состоянии. При повышении температуры они переходят в высокоэластичное и далее — в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования их раз-личными методами.
1.4.3 Сравнение с традиционной технологией
В традиционном процессе литья модель можно изготовить вручную или с помощью механической обработки. Вручную некоторые формы реализовать невозможно. Для изготовления моделей используют пятиосевые обрабатыва-ющие центры с числовым программным управлением (ЧПУ), что значительно увеличивает возможное разнообразие форм, но и стоимость такой восковки или мастер-модели заметно увеличивается. Такой путь получения отливки ак-туален для массового производства, в малой и средней серии он, чаще всего, экономически нецелесообразен — тут применение 3D-печати более рацио-нально.
Рисунок 1.9 - График зависимости стоимости модели от кол-ва произведен-ных экземпляров показывает эффективность применения аддитивных техно-логий.
1.5 Алгоритм процесса литья с применением аддитивных технологий
Одна из задач, стоящих перед технологами любого литейного произ-водства: минимизация трудоемких операций по механической обработке заго-товок. Решается она тем, что отливки должны быть максимально приближены к параметрам необходимой детали, что также экономит средства и время. Здесь на помощь приходят инновации, в лице аддитивных технологий, кото-рые позволяют ускорить техпроцесс, миновав традиционные первые шаги в технологии изготовления отливки. Производитель может за одну операцию получить необходимую литейную модель или форму.
Прямая печать изделия, которая уже внедрена на многих современных производствах, с экономической точки зрения дороже, чем традиционное ли-тье. Поэтому 3D-печать моделей для выплавления и выжигания, а также син-тез уже готовых для литья форм и стержней, вызывает особый интерес.
1.5.1 Технологии 3D печати литейных моделей
Для получения литьевых моделей используют 3D-печать по технологи-ям FDM, SLS и SLA. Эти технологии позволяют напечатать необходимую модель для последующего выплавления или выжигания из образованной во-круг нее литьевой формы. Для выплавляемых моделей используется воск, для выжигаемых — ПММА, CAST-пластик и специальные фотополимеры.
Основной плюс использования такого решения — отсутствие необхо-димости подготовки специальной оснастки, например — пресс-формы, и низ-кая зольность материалов при выгорании. Подготовленная 3D-модель сразу отправляется на печать и, после небольшой постобработки, готова к исполь-зованию.
1.5.2 Оценка характеристик данных технологий 3D печати
Каждая технология 3D-печати имеет свои достоинства и недостатки, требования, подходит для различных приложений и предприятий. В табли-це 1.1 приведена оценка некоторых характеристик данных технологий.
Таблица 1.1 – Оценка характеристик технологий 3D печати
1.5.3 Достоинства и недостатки FDM, SLS и SLA технологий 3D печати
Преимущества FDM печати:
? высокая точность готового прототипа;
? высокая скорость изготовления модели;
? возможность применения широкого спектра материалов и различ-ных полимеров;
? низкая стоимость создания прототипа изделия.
Недостатки FDM технологии:
? ограничения размерности модели, печатаемой на 3D принтере;
? необходимость и сложность последующей постобработки готово-го прототипа.
Преимущества SLS технологии:
? большой выбор материалов, которые используются для создания модели;
? возможность создания сложных моделей;
? достаточно высокая скорость печати;
? используется для мелкосерийного производства и в сфере юве-лирного мастерства.
Недостатки:
? необходимость применения герметичной камеры и мощного лазе-ра;
? требует предварительного длительного подогрева порошка, а также необходимо дождаться остывания готовой модели перед удалением остатков порошка;
? необходимость постобработки готового изделия.
Преимущества стереолитографии (SLA):
? высокая точность готовой модели;
? возможность получить модели очень большие по габаритам до 150*75*55 см и до 150 кг по весу;
? получаемая модель очень прочная и выдерживает температурное воздействие до 100°С;
? возможность изготавливать сложные модели с сохранением мел-ких элементов декора;
? небольшое количество отходов;
? простота постобработки модели, в случае необходимости.
Недостатки SLA:
? небольшой выбор материалов;
? отсутствие возможности цветной печати и использования в одном цикле разных материалов;
? низкая скорость печати;
? массивность оборудования, высокая стоимость таких 3D принте-ров.
В результате проведенного анализа было получено, что внедрение 3D печати позволяет сделать изготовление сложных моделей по более экономич-ной цене в короткий период времени.
Для получения выплавляемых моделей обширно используются 3D принтеры, работающие по технологиям FDM, SLS и SLA, основанные на со-здании трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев мате-риала, повторяющие контуры цифровой модели.
Анализ широко используемых материалов для изготовления деталей на 3D принтере сводится к тому, что целесообразно печатать образцы для иссле-дования их акустических свойств из ABS пластика, представляющего собой термопластическую смолу и из PLA пластика, основу которого составляют тростниковый сахар и кукурузный крахмал.
