РАЗРАБОТКА 3D-ПРИНТЕРА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО МЕТОД МНОГОСТРУЙНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Введение

Технологии объемной печати перестали быть только средством прототипирования и перешли в область промышленного производства. Трёхмерная печать, которая является процессом создания трёхмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели, быстро развивается в последние годы. Современные аддитивные технологии позволяют реализовать ресурсосберегающий, инновационный подход к проектированию и изготовлению деталей, что невозможно при использовании при традиционных методах изготовления изделия.  Используются различные материалы: акрил, нейлон, бетон, гидрогель, бумага, гипс, деревянное волокно, лед, металлический порошок.  

Аддитивные технологии (AF — Additive Manufacturing) — это технологии послойного синтеза, обеспечивающие безотходное материало- и энергоэффективное производство многих видов изделий из металлических, полимерных и композитных материалов. С момента появления в середине 80-ых годов стереолитографии и технологии послойного наплавления, техника аддитивного производства непрерывно совершенствовалась [1].

При использовании технологии многоструйного моделирования формирование слоя изделия происходит  выдавливанием жидкого материала на платформу, так постепенно создаётся объект. Материал сразу же затвердевает благодаря УФ лампам. Одновременно можно подавать несколько материалов. Данная технология 3D-печати для выступов или несущих конструкций   изделия требует наличия поддерживающих элементов, которые обычно изготавливаются из другого легкоудаляемого материала.

Основным преимуществом приведенной технологии является возможность использования нескольких материалов, что позволяет создавать разноцветные изделия с сочетанием материалов, обладающих различными свойствами. Технология может обеспечить высокую точность, малую толщину наносимого слоя, высокое разрешение печати.

Структурные элементы 3D-принтеров

При создании 3D-принтера на основе метода многоструйного моделирования целесообразно применять конструкцию с декартовой системой позиционирования  печатающей головки, которая обеспечит более быстрое прототипирование изделий и позволит наращивать количества печатающих головок, т.е. будет возможно горизонтальное масштабирование.

Структуру 3D-принтера на основе декартовой конструкции позиционирования печатающей головки можно изобразить с помощью схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема

На схеме можно выделить контроллеры шаговых двигателей, которые совместно с концевыми выключателями выполняют задачу точного позиционирования. Источник питания обеспечивает стабильное напряжение для различных устройств-потребителей. Печатающее устройство выполняет задачу нанесения слоя материала на подвижный столик.

Компоненты 3D-принтера

Устройство 3D-принтера, использующего в качестве технологии печати послойное нанесение термопласта (FDM), включает в себя следующие основные элементы:

• Печатная платформа. Обычно это стеклянная или алюминиевая площадка, на которой формируется изделие.
• Экструдер. Наиболее важная и сложная часть оборудования, предназначенная для разогрева нити до температуры её плавления и последующего выдавливания. Состоит из двух компонентов: а) привод подачи материала – редукторный или шаговый механизм, подающий нить в термальную камеру; б) термальная головка – нагреватель с датчиком температурного контроля и сопла, через которое выдавливается полужидкий пластик.
• Шаговые двигатели. Отвечают за режимы работы, точность и скорость печати.
• Концевые выключатели. Это датчики с механическим или оптическим принципом работы, которые предотвращают выход печатающей головки за край печатной платформы.
• Панель управления. Представляет собой простой интерфейс управления принтером, иногда  отсутствует. Обычно ограничиваются несколькими кнопками и ЖК дисплеем.
• Контроллер. Отвечает за обеспечение основных функций устройства;
• Картезианский или дельта робот. Промышленное название механизмов, перемещающихся по картезианским координатам (оси X, Y, Z).
• Корпус. Конструкция, на которой крепятся все вышеперечисленные элементы 3D-принтера.

При разработке принтера, использующего в качестве технологии печати многоструйное моделирование, экструдер будет заменён на соответствующий элемент для данной технологии печати. Также следует добавить модуль для работы с УФ-светодиодами, т.к. печать может осуществляться фотополимерными материалами, и модуль подогрева экструдера, что позволит использовать специальные виды материалов.

Разработка структурной схемы аппаратного комплекса 3D-принтера

Работа 3D-принтера осуществляется с помощью персонального компьютера, который отвечает за обработку данных для печати, преобразует данные в формат печатающей головки, выполняет другие соответствующие задачи, такие как маневрирование системы позиционирования, включение и выключение модуля ультрафиолетового светодиода или УФ-светодиода для отверждения нанесенного материала.

Как правило, центральный компьютер контролирует основные функции принтера, а непосредственно подсистемы принтера отвечают за локальное управление, обработку данных печати, отправляемых центральным компьютером, мониторинг параметров и включение электромеханических устройств. На рисунке 3.1 показана блок-схема 3D-принтера.

На изображённой блок-схеме можно выделить следующие структурные элементы:

• Набор печатающих головок. Они являются частью модульной системы. Один модуль печатающей головки включает в себя печатающую головку и ее приводную электронику. Он синхронизирует данные печати с персонального компьютера и вносит материал только тогда, когда получает сигнал от микроконтроллера. При разработке следует грамотно подходить к  выбору количества модулей печатающих головок, т.к. увеличение их количества приводит к увеличению максимальной скорости печати, но большое количество данных модулей увеличивает нагрузку на микроконтроллер по обработке данных, а также накладывает дополнительные требования на линию связи с персональным компьютером.

Рисунок 2. Блок-схема 3D-принтера, использующего метод многоструйного моделирования

• LED модуль включает в себя ультрафиолетовые светодиод или светодиоды, предназначен для отверждения осажденных фотополимерных материалов.
• Персональный компьютер выступает как источник данных для печати, передачи параметров печати принтеру.
• Источник питания. Ещё на этапе разработки очевидно, что различные элементы схемы потребует различное напряжение для микроконтроллера, контроллеров шаговых двигателей, печатающей головки.
• Датчики или концевые выключатели необходимы для точного позиционирования печатающих головок.
• Контроллеры шаговых двигателей управляют работой шагового двигателя и позволяют достичь высокой точности позиционирования печатающей головки.
• Микроконтроллер служит для координации работы подмодулей принтера и входящей информации от персонального компьютера.

Технология многоструйного моделирования обладает значительным преимуществом, возможностью изготавливать изделия с гетерогенной структурой. Проанализированная технология используется в различных отраслях, требующих создания высокоточных прототипов и готовых изделий для стоматологии, ювелирного дела, разработки электронных компонентов. Таким образом, метод многоструйного моделирования обязательно займет свою нишу на рынке.

Список литературы:

1. Аддитивные технологии, материалы и конструкции : материалы науч.-техн. конф. (Гродно, 5-6 окт. 2016 г.) / Нац. акад. наук Беларуси [и др.] ; редкол.: А.И. Свиридёнок (гл. ред.) [и др.]. – Гродно : ГрГУ, 2016. – 274 с.
2. Additively [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.additively.com (дата обращения 01.06.2019)
3. US 5204055 A - Three-dimensional Printing Techniques − The Lens - Free Patent Search & Scholarly Journal Articles  [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.lens.org/lens/patent/US_5204055_A (дата обращения 01.06.2019)
4. Wohlers Report 2017 Shows Vibrant New Business Activity in 3D Printing  [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://wohlersassociates.com/press72.html (дата обращения 01.06.2019)