ТЕХНОЛОГИЯ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

THE TECHNOLOGY OF RAPID PROTOTYPING

Ekaterina Kudryavtseva

postgraduate student, Russian state University. A. N. Kosygin (Technology. Design. Art)

Russia, Moscow

Alexander Markin

student at Russian state University. A. N. Kosygin (Technology. Design. Art)

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена актуальная на сегодняшний день технология быстрого прототипирования. Исследованы оптимальные параметры нависающих элементов и настройки печати, позволяющие осуществлять построение физической модели с минимальным количеством поддержек и максимальным качеством печати модели.

ABSTRACT

The article considers relevant in today's technology of rapid prototyping. Researched the optimal parameters of the overhanging element and the print settings to allow for the construction of a physical model with the minimum number of supports and a maximum print quality of the model.

Ключевые слова: быстрое прототипирование, аддитивные технологии.

Key words: rapid prototyping, additive technology.

Аддитивные технологии (англ. Additive Manufacturing (AF)) появились еще в конце 80х годов и стали интенсивно развиваться, а на данный момент достигли значительного прогресса. К данным технологиям относится моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM)). Данный метод применяется для изготовления макетов, опытных образцов (быстрое прототипирование), так и для изготовления готовой продукции. Использование 3D-принтеров для прототипирования позволяет в несколько раз сократить материальные и временные затраты на разработку и конструирование новых изделий, а также провести опытно-конструкторские разработки [1].

Существующие в настоящее время методы 3D-печати, являются производными от аддитивной технологии производства изделий. Все 3D-принтеры изготавливают модель путем постепенного наращивания материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства, что считается безотходной технологией и является противоположностью традиционной технологии субтрактивного производства [1]. В субтрактивном производстве изготовление физических моделей происходит за счет удаления лишнего материала (точение, фрезерование) или изменения формы заготовки (прессовка, ковка, штамповка).

Таблица 1.

Существующие технологии аддитивного производства

Все технологии быстрого прототипирования работают по общему принципу изготовлении модели, а именно:

- считывание трёхмерной модели;

- разбиение на слои;

- построение прототипа слой за слоем.

Из всех существующих технологий построения трехмерных объектов, моделирование методом послойного наплавления (FDM) считается самым доступным на сегодняшний день, но этот метод уступает по качеству и точности некоторым технологиям [2]. Технология FDM позволяет создавать объекты из полимеров, материалами для которых чаще всего являются пластиковые прутки ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полилактид). ABS пластик - ударопрочный термопластик, широко применяется в промышленности. PLA пластик - является биоразлагаемым и биосовместимым термопластиком. Крахмал используют, как основное сырье для его получения.

Существуют еще и другие виды пластика, использующиеся при 3D-печати методом послойного наплавления. Разные типы пластиков имеют разные свойства, поэтому для каждого типа пластика задаются разные параметры печати, такие как, температура и скорость экструзии пластика (Таблица 2).

Печать методом послойного моделирования начинается с создания трехмерной цифровой модели. Разработка модели осуществляется в программах, предназначенных для трёхмерного компьютерного моделирования (Blender, 3ds Max, AutoCAD, Fusion 360, SolidWorks и д.р.).

Таблица 2.

 Параметры печати для пластиков разного типа

При создании 3D-модели следует соблюдать несколько правил, которые обеспечивают корректное построение объекта 3D-принтером:

- Детали в модели должны быть не меньше диаметра печатающего сопла в принтере, так как детали меньше диаметра сопла принтер напечатать не сможет;

- Модель должна иметь правильную полигональную сетку, сетка должна быть цельной (без дырок) и правильно повёрнутыми нормалями;

- Стенки модели должны быть такими же или толще, чем диаметр сопла. На толщину стенок влияет количество периметров, которые будут печататься. При 3 периметрах и сопле 0,4мм толщина стенок должна быть от 0.4, 0.8, 1.2, 1.4мм;

Большинство программного обеспечения для 3D-моделирования имеет возможность экспортировать 3D-модель в STL-файл [2]. Данный формат используется для хранения трёхмерных объектов в цифровом виде. Для дальнейшего изготовления объекта 3D-модель необходимо сгенерировать в G-код, в котором содержится набор команд для 3D-принтера.

При наличии у 3D-модели нависающих элементов программа генерируют поддерживающие конструкции. Поддержки соприкасаются со стенками модели и после их удаления оставляют шероховатость на её поверхности. Минимальное количество поддержек экономит материал и время печати, что приводит к снижению стоимости печати и улучшению качества производства.

Наличие нескольких печатающих элементов у 3D-принтера, позволяет печатать модели из разных материалов. В этом случае поддерживающие структуры нависающих элементов печатаются из материалов, которые легко растворяются в воде или лимонной кислоте, что позволяет исключить механическую пост печатную обработку изделий. За счет использования разных материалов, достигается более высокое качество печати. Эти типы принтеров позволяют формировать 3D-модели, разными цветами из одного и того же типа пластика.

Цель работы: определение оптимальных параметров нависающих элементов, позволяющих осуществлять формирование физической модели с минимум поддержек.

На базе центра технологической поддержки образования был проведен ряд экспериментов.

Для эксперимента были созданы 3D-модели в программе Fusion360 с разной длиной нависающих элементов и разным углом наклона относительно основания модели (рис.1).

Рисунок 1. Тестовые модели с навесными элементами

Материал для печати был выбран ABS пластик, температура при печати была 245 градусов. Толщина слоя печати 0,2мм. Печать происходила при одинаковых параметрах, менялась только скорость обдува печатающейся модели.

Результат эксперимента: при разной скорости обдува печатающейся модели были получены три 3D-модели (рис.2,3,4), выявлено, что максимально качественно нависающие элементы могут быть напечатаны при их длине не более чем 20 мм и угле наклона не менее 45 градусов. При этом обдув модели следует отключить.

Рисунок 2. Модели, напечатанные без обдува

Рисунок 3. Модели, нанпечатанные с обдувом

Рисунок 4. Модели,  напечатанные с разным углом наклона

Список литературы:

1. Ошкин Д.В. Трехмерное прототипирование. CADmaster №2(37) 2007
2. Маркин А.Д., Прототипирование промышленного светодиодного светильника методом аддитивных технологий. «Инновационное развитие легкой и текстильной промышленности» (ИНТЕКС-2017) СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ, Часть 3, 2017 г.