Тэг: ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ 2

ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ(Продложение)

Технология

Аддитивное производство включает в себя процессы, направленные на формирование объектов последовательным добавлением материалов, в отличие от традиционных «субтрактивных» методов, применяющихся в машинной обработке и подразумевающих удаление лишней массы (резка, фрезерование, сверление и т.д.). Аддитивное производство является прямым развитием технологий быстрого прототипирования – таких, как стереолитографии, разработанной с целью создания пластиковых макетов более 30 лет назад.

Тестирование прототипа устройства, работающего по технологии EBFȝ

Концепция EBF3 основана на постройке «практически готовых форм» («Near-net-shape» в англоязычной терминологии). Это означает, что изделия создаются на основе трехмерных цифровых моделей с настолько высокой точностью, что механическая обработка и доводка изделий практически не требуется. Современные производственные методы с использованием программного управления основываются на обработке трехмерной цифровой модели для создания алгоритмов, используемых в машинной обработке (т.н. G-code). Алгоритмы служат для определения траектории движения режущих инструментов в процессе создания готового изделия из болванки. В случае с EBFȝ процесс имеет прямо противоположное направление: те же самые цифровые модели используются для выработки производственных алгоритмов, регулирующих не удаление лишней массы, а нанесение необходимого материала. Технология использует электронные излучатели высокой мощности в вакуумной камере для плавки металла. Электронный пучок передвигается по рабочей поверхности, повторяя контуры цифровой модели, в то время как металлическая проволока постепенно подается в точку фокусирования пучка. Расплавленный материал немедленно застывает, формируя прочные слои заданной модели. Процесс повторяется до построения цельной модели, требующей лишь минимальной обработки внешней поверхности. Технология EBFȝ позволяет создавать объекты размером от нескольких миллиметров до нескольких метров. Практические ограничения по объему построения накладываются физическими размерами вакуумной рабочей камеры и количеством доступного расходного материала.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)

Технология FDM

FFF принтер производства Heacenth, основанный на RepRap дизайне с открытым исходным кодом Prusa Mendel
Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM)) – технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению.

История

Технология печати методом послойного наплавления (FDM) была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и представлена на рынке компанией Stratasys, начиная с 1990. На данный момент технология получает все большее распространение среди энтузиастов, создающих принтеры с открытым исходным кодом, а также коммерческих компаний, ввиду истечения срока действия оригинального патента. В свою очередь, широкое распространение технологии привело к существенному снижению цен на 3D-принтеры, использующие данный метод производства. 

Процесс

Новейший многоцветный FDM принтер Connex3 производства компании Stratasys
Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.

Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

Схема работы типичного FDM принтера
Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми «дельта-роботами».

Типичные катушки с пластиковой нитью, используемые FDM и FFF принтерами
Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

Применение

Экструдер для FFF принтера Printrbot
Моделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий.

Среди используемых материалов числятся ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид. Эти материалы ценятся за термостойкость. Некоторые варианты полиэфиримида, в частности, обладают высокой огнеупорностью, что делает их пригодными для использования в аэрокосмической отрасли.

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

Технология Ламинирование методом селективного осаждения (SDL)

История

Ламинирование методом селективного осаждения (SDL) или 3D печать на бумаге - изобретение докторов Конора и Финтана Маккормак в 2003 году.
Технологию SDL не стоит путать с более старой технологией изготовления объектов с использованием ламинирования - LOM. В технологии LOM использовали лазер, ламинированную бумагу и клей так, что все склеивалось между собой, в том числе и поддерживающие структуры вокруг 3D модели. “Извлечение” модели могло стать настоящим испытанием, зачастую приводящим к поломке 3D модели. В технологии компании Mcor используются лезвия для резки, а принтер склеивает только те части модели, которые необходимо. 

Процесс: Создание цифрового файла

3D-печать начинается с обработки 3D файла данных. 3D принтеры компании Mcor поддерживают универсальный стандартный формат файлов STL для создания дизайна 3D продукта, а также форматы OBJ и VRML (для цветной 3D печати). Все основные программы по автоматизированному проектированию (CAD) 3D продуктов, в том числе бесплатные программы, такие как SketchUp, создают файлы в формате STL. Файлы завершенных проектов, предлагаемые для загрузки, так же как и файлы, созданные при сканировании физического объекта, как правило, представлены в формате STL. 3D принтеры Mcor поставляются с пакетом программного обеспечения, которое носит название SliceIT. (Рис. 1) 

Рис. 1. SliceIT считывает цифровые данные и “нарезает” слои представленной компьютерной модели для последующей печати на бумаге. По толщине эти слои эквивалентны толщине бумаги. C данной программой совместимы следующие форматы файлов: STL, OBJ и VRML.

SliceIT считывает цифровые данные и “нарезает” слои представленной компьютерной модели для последующей печати на бумаге. По толщине эти слои эквивалентны толщине бумаги. Программное обеспечение также позволяет установить местоположение части или нескольких частей модели в пределах камеры 3D принтера. SliceIT работает на любом стандартном ПК с 64-битной операционной системой Windows (2000, XP, Vista или Windows 7) в паре со специальной картой Ethernet (со скоростью о 10/100 и выше), подключаемой непосредственно к 3D принтеру.

Процесс: Печать модели

Первый лист вручную прикрепляется к сборочной пластине. Расположить первый лист правильно не самое важное, так как первые несколько страниц соединяются вместе в качестве базового слоя перед тем как начинается процесс нарезки (фиг. 3.1)
После того как показатели измерения глубины лезвия и клеящего слоя выверены, двери принтера закрываются – аппарат готов к импорту данных от программы SliceIT.
В программе SliceIT на компьютере пользователь нажимает “Печать”, после чего принтер приступает к созданию частей.
Вначале слой клея наносится на верхнюю часть листа, помещенного на сборочную пластину. Клей наносится выборочно – именно поэтому метод печати получил название "селективный". Иными словами, клеящий материал более высокой плотности будет нанесен на те области, которые впоследствии станут частью модели, а клеящее средство меньшей плотности будет нанесено на те части, которые будут служить ее поддержкой (фиг. 3.2)
Новый лист бумаги подается в принтер из лотка для бумаги и направляется ровно на то место, куда было нанесено клеящее средство. Сборочная пластина перемещается вверх к раскаленной пластине, после чего к составным частям применяется давление. За счет этого давления достигается прочная связь между двумя листами бумаги (фиг. 3.3)
Когда сборочная пластина возвращается на свое первоначальное положение, регулируемое лезвие из карбида вольфрама разрезает лист бумаги и в то же время следит за контуром объекта для создания формы будущей модели (фиг. 3.4)
Когда вся эта последовательность выполнена, устройство начинает наносить следующий слой клея. Весь процесс продолжается до момента, пока все листы не будут разрезаны и склеены между собой, а модель не примет свой окончательный вид. После того, как нанесение последнего слоя завершено, модель может быть извлечена из сборочной камеры (фиг. 3.5)

Рис. 3. Как работает принцип SDL

Процесс: “Извлечение” модели

Главное преимущество процесса SDL становится очевидным, когда вы избавляетесь от ненужных, поддерживающих модель, частей. Этот процесс называется “извлечение”. В связи с тем, что клеящее вещество наносится выборочно, между составными частями модели связь более прочная, чем между поддерживающими материалами. Кроме того, для облегчения процесса извлечения модели, поддерживающий материал “разваливается” на маленькие составные части, похожие на игральные кости; это предотвращает разрушение хрупкой 3D модели. (Рис. 4)
Рис. 4 Очистить поддерживающую структуру от самой модели легко и просто. Вы можете сделать это своими руками и обычными щипчиками, нет необходимости использовать химикаты. На рисунке видно, как из под поддерживающей структуры проглядывается модель головы.
Принтеры Mcor отличаются своей неприхотливостью: для извлечения 3D моделей из-под поддерживающей структуры погружать детали в токсичные химические вещества или использовать острые инструменты вовсе не обязательно. При печати на принтере компании Mcor ваша модель не раскрошится и не разрушится. На выходе 3D модель представляет собой прочную и жесткую структуру. (Рис. 5) Учитывая, что модель создается путем плотного сжатия листов бумаги, конечный продукт – это практически воссозданное дерево. Модель генерирует тепло, вызывает тактильные ощущения и приятна на ощупь.
Модель можно будет обработать любым желаемым способом для того, чтобы она отвечала всем необходимым требованиям. 
Рис. 5 На выходе из принтера Mcor 3D модель представляет собой прочную и жесткую структуру.