Использование аддитивных технологий при прототипировании. Контроль геометрических характеристик детали из пластика abs для определения исходных размеров для печати

Введение в эксплуатацию процесса архивирования не всегда положительно сказывается на времени процесса резервного копирования. Необходимы дальнейшие исследования, для выявления порогов, при которых данную операцию целесообразней вводить. Однако, несмотря на это, архивирование можно применять все равно, т.к. оно в большинстве случаев необходимо для удобства передачи файлов и носит утилитарное назначение, а также создает условия для относительно дешевого варианта автоматизированного процесса резервного копирования [7, 8].

Данные исследования позволят повысить качество, удобство и стабильность операций в процессе резервного копирования в локальных, изолированных условиях и помогут разработчикам в дальнейшем создавать надежные автоматизированные, автономные и гибкие системы резервного копирования.

Список литературы

1. Ruben G. A. How to automatically test and validate your database backup and recovery strategy // Journal of Physics: Conference Series, 2011. Vol. 331. DOI: 10.1088/1742-6596/331/4/042031.

2. Rahman P. A., Novikova Freyre Shavier G D. Reliability model of disk arrays RAID-5 with data striping // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018. Vol. 327. DOI: 10.1088/1757-899X/327/2/022087.

3. Rahman P. A. Using a specialized Markov chain in the reliability model of disk arrays RAID-10 with data mirroring and striping // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017. Vol. 177. DOI: 10.1088/1757-899X/177/1/012087.

4. Proskuriakov N. E., Yakovlev B. S., Pries V. V. Improving the Quality of Backup Process for Publishing Houses and Printing Houses // Journal of Physics: Conference Series, 2018. Vol. 998. DOI: 10.1088/1742-6596/998/1/012026.

5. Gotch М. Где мои файлы, ROBOCOPY? URL: https://habr.com/post/261359/ (дата обращения: 20.04.2018).

6. Malikov V. We use Robocopy. Examples. URL: https://vladimirmalikov.com/%D0%B8%D1%81%D0% BF%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B7%D1%83%D0%B5%D0%BC-robocopy-%D0%BF%D1%80%D0%

B 8%D0%BC%D0%B5%D 1 %80%D 1 %8B/ (дата обращения: 20.04.2018).

7. Mosk D. Work with 7zip from the command line. URL: https://www.dmosk.ru/miniinstruktions.php?mini=7zip-cmd (дата обращения: 20.04.2018).

8. Pakhomov S. Comparison of 64-bit archivers WinRAR 4.2, WinZip 17.0 and 7-Zip 9.30. URL: http://compress.ru/article.aspx?id=23664 (дата обращения: 20.04.2018).

УДК 531.7:54.08

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОТОТИПИРОВАНИИ.

КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛИ ИЗ ПЛАСТИКА ABS ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСХОДНЫХ РАЗМЕРОВ ДЛЯ ПЕЧАТИ

ADDITIVE TECHNOLOGIES FOR PROTOTYPING. CONTROL GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF PARTS FROM ABS PLASTIC TO DETERMINE THE ORIGINAL DIMENSIONS FOR PRINTING

А. В. Тигнибидин, С. В. Такаюк

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A.V. Tignibidin1, S.V. Takayuk

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Для создания прототипов деталей методом послойного нанесения (FDM) используются пластики различных типов, таких как ABS, PLA и др. Невысокая стоимость этих пластиков обусловливает актуальность использования данного вида прототипирования при разработке моделей. Одной из основных проблем использования 3D-печати является усадка пластика при использовании нагревательных платформ. В статье представлены результаты исследования детали «Куб» после различных режимов печати, для определения наиболее предпочтительного режима при использовании универсального пластика ABS. Для производства изделий с высокими требованиями к геометрическим характеристикам

предложены рекомендации по внесению правок в размеры на этапе моделирования деталей, что позволяет устранить проблему усадки материала.

Ключевые слова: ЭБ-печать, контроль геометрии, прототипирование, FDM.

DOI: 10.25206/2Э10-979Э-2018-6-2-57-65

I. Введение

Технологический процесс не стоит на месте, с каждым днем происходит усовершенствование цифровых технологий, что позволяет использовать инновации в различных сферах производства. На данный момент во многих направлениях высокотехнологичного производства человечество начинает упираться в потолок технических возможностей традиционных методов обработки материалов. Внедрение инновационных способов про-тотипирования и производства, таких как 3D-печать, позволяет перешагнуть эти барьеры и реализовать самые смелые идеи конструкторов и ученых. Аддитивные технологии - одни из самых передовых и востребованных во всем мире. Аддитивные технологии (Additive Manufacturing - от слова аддитивность - прибавляемый) - это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d-технологий. В современной промышленности это несколько разных процессов, в результате которых моделируется 3d-объект. Технологический прогресс способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека например аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме.

Основными направлениями развития машиностроения в настоящее время являются: применение новых полимерных, композиционных, интеллектуальных материалов при производстве деталей машин; разработка новых технологических методов, оборудования и процессов производства изделий машиностроения. Первым шагом на пути создания машины является пространственное проектирование изделий машиностроения с применением компьютерных виртуальных цифровых трехмерных моделей, что стало возможно благодаря внедрению современного программного обеспечения (CAD-программы), моделирования и расчетов (CAE). Внедрение технологий «трехмерной печати» ^D-печать) обеспечивает возможность создания детали машины или изделия в целом на основе разработанной 3D-модели в кратчайшие сроки и с минимальными потерями материалов. В этом контексте традиционные машиностроительные технологии, основанные на механической обработке заготовки, при которой происходит удаление части материала (точение, фрезерование), являются «отнимающими» (subtractive). Основными преимуществами аддитивных технологий перед традиционными являются:

• сокращение трудоемкости изготовления;

• сокращение сроков проектирования и изготовления детали;

• снижение себестоимости проектирования и изготовления детали;

• экономия машиностроительных материалов.

Моделирование процесса 3D-печати с указанием различных способов представлено в исследовании A. A. Elistratova V. [1], однако нет точных указаний для работы с пластиком различных типов.

Как отмечается в работе Bustillo [5], необходимость использования припусков на усадку существует и для других методов. По мнению авторов Artioli [3], подобные расчеты необходимо проводить в том числе и для силикона, при изготовлении протезов. Исследование, проведенное Arruda [4], демонстрирует, что при использовании другого типа принтера данная проблема не решается.

II. Постановка задачи

Быстрое прототипирование определяет создание прототипа за максимально короткое время. Это одно из основных применений аддитивных технологий в производстве. Прототип - это прообраз изделия, необходимый для оптимизации формы детали, оценки её эргономики, проверки возможности сборки и правильности компоновочных решений. Поэтому, сократив срок изготовления детали, есть возможность максимально сократить сроки сборки. Также прототип является моделью, предназначенной для проведения испытаний или проверки функциональности. Для быстрого прототипирования используются недорогие 3D-принтеры. Для оценки необходимых припусков на термическую усадку материала при моделировании прототипов пластиком ABS были проведены 18 экспериментов с разными режимами экструдирования материала и разным предельным нагревом печатной платформы. В рамках проведенной работы был рассчитан коэффициент усадки материала, экспериментальным путем подобран оптимальный режим для печати пластиком ABS. Объектом исследования была выбран куб с ребрами 16 мм.

III. Теория

В наше время существуют разные процессы изготовления по средствам аддитивных технологий, но всех их объединяет то, что прототип изготавливается путем послойного наложения композитного материала. Основное преимущество аддитивных технологий заключается в изготовлении прототипа за один прием по исходным данным, которыми является непосредственно геометрическая модель детали. Следовательно, нет необходимости планировать последовательность технологических процессов, специальном оборудовании для обработки материалов, транспортировке от станка к станку и т. д. Однако по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ данный процесс имеет существенный недостаток - выбор материалов для печати ограничен. Изделия, изготовленные методом 3D-печати, используются чаще всего в качестве прототипов для других производственных процессов.

В основе своей процессы 3D-печати состоят из трех шагов: формирование поперечных сечений изготавливаемого объекта, послойное наложение этих сечений и комбинирование слоев. Таким образом, чтобы создать физический объект, этим процессам требуются данные лишь о поперечных сечениях; кроме того, исчезают следующие проблемы, часто возникающие в связи с другими производственными процессами.

В международном сообществе, так же как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий на данный момент не принято. Одна из классификаций разделяет виды по технологии 3D-печати. Одним из самых распространенных является экструзионная печать. В нее входят такие методы, как послойное наплавле-ние (fdm) и многоструйная печать (mjm). В основе этого метода лежит выдавливание (экструзия) расходного материала с последовательным формированием готового изделия. Как правило, расходные материалы состоят из термопластиков либо композитных материалов на их основе.

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.

Рис. 1. Блок-схема изготовления прототипа

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 расплавляется в экструдере - устройстве, оснащенном 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. Диаметр сопла может варьироваться от микрометрических до сантиметровых и подбирается под модель экструдера и необходимую детализацию изделия.

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, Yи Z.

Технологию FDM отличает высокая гибкость, 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.

Рис. 2. Процесс изготовления детали методом послойного наплавления(FDM): 1 - нагревательная платформа, 2 - деталь в процессе печати, 3 - экструдер, 4 - нить пластика

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.

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.

IV. Результаты экспериментов

Для выбора необходимого режима при прототипировании и проведения опытного расчета коэффициента усадки материала было проведено 18 экспериментов. Для экспериментов была выбрана модель куба (рис. 3) с рёбрами 16 мм и наличием несквозных отверстий для определения влияния температуры на детализацию объекта печати.

Рис. 3. 3 D-модель объекта исследования

Для проведения исследования были выбраны различные температурные режимы экструдера и нагревательной платформы. Скорость проведения печати, оператор, тип пластика, программа для печати и 3D-принтер остаются постоянными при проведении экспериментов. Скорость печати была выбрана из рекомендованных для данного пластика и составляет 100 мм/мин. Объем заполнения 20% с использованием технологии заполнения Honeycomb. Для печати использовался 3D-принтер Prusa i3 Steel и программа Repetier Host (рис. 4).

Рис. 4. Режим печати

Минимальной температурой экструдирования была выбрана минимальная рекомендованная температура 180 0С, минимальной температурой нагревательной платформы опытным путем была выбрана температура 70 0С. Максимальной температурой экструдирования была выбрана опытным путем температура 230 0С. Максимальной температурой платформы была выбрана максимально возможная для используемого 3Б-принтера. В результате было напечатано 18 объектов (рис. 4).

Удачным считается эксперимент, где печать завершилась на 100% автоматически. Итого, из 18 экспериментов 9 можно считать удачными, что составляет 50 % от общего числа экспериментов.

Контролируемыми параметрами кубов (рис. 5) примем длину (11), ширину (12) и высоту (13). С помощью цифрового штангенциркуля Sylvac MOD S 235 и инструментального микроскопа VMM 150 с серийным номером 1610001, произведенный фирмой «Walter Uhl technische Mikroskopie GmbH& Со», проведем измерения необходимых параметров.

Рис. 5. Таблица с температурными режимами экспериментов

Рис. 6. Обозначение контролируемых параметров

При анализе полученных данных было установлено, что наиболее близкие к модели значения контролируемых параметров наблюдаются при использовании режима печати с температурой экструдирования 210 ^ с нагревом платфомы до 90 °С Именно эти параметры необходимо использовать при расчете коэффициента теплового расширения

Коэффициент теплового расширения - это физическая величина, которая характеризует изменение линейных размеров твердого тела с ростом или уменьшением его температуры. Обозначим длину тела при начальной (например, температуры нагрева материала в экструдере) температуре t буквой ^ а длину того же тела при температуре t '- буквой ! '. Удлинение тела при нагревании ( t '- не равно (Г- ! ) . Удлинение того же тела при

1'- 1

нагревании на 1° C будет ^ '- раз меньше, т. е. будет равно

тем больше, чем длиннее тело.

Результаты измерения представлены на графиках 1, 2, 3.

t '- t

. Это - общее удлинение всего тела, оно

График 1. Зависимость высоты 13 от температурного режима

>5 •О I >5 01 I

18 16 14 12 10 8 6 4 2

1-70 градусов Цельсия

2-90 градусов Цельсия

3-80 градусов Цельсия

180

190

210

220

230

1

Температура эк 1 дирования в градусах Цельсия

График 2. Зависимость ширины !2 от температурного режима

18

16

м14 м

в 12 р

о. 10

>5

£ 8

>5 £ 6

и

4

70 градусов Цельсия 90 градусов Цельсия 80 градусов Цельсия Значение по модели

180 190 200 210 220 230 Температура экструдирования в градусах Цельсия

График 2. Зависимость ширины 11 от температурного режима

18

16

мм14

в

р12

Й 10

а р

'Е 8 .о

.1 6 е н

I 4

1-70 градусов Цельсия

2-90 градусов Цельсия

3-80 градусов Цельсия

4-Значение по модели

1 2 3 4 5 6

Температура экструдирования в градусах Цельсия

4

0

2

0

4

3

2

0

Табличный коэффициент расширения пластика ABS составляет 0,86, следовательно, по теории пластик должен усаживаться на (1-0,86)*100%=0,14*100=14%. Однако тепловые процессы, происходящие с пластиком в момент печати, достаточно тяжело рассчитать. На процесс печати влияют многие факторы, такие как длительность печати, посторонние тепловые воздействия на объект печати и на само устройство и т.д. Проанализировав выводы Romanov [6] , Sun [8] и Wang [9], принимаем за исходное, что процесс протекает одинаково в плоскостях 11, 12, 13 при рекомендованной скорости печати.

Для определения реального коэффициента усадки материала необходимо найти среднее значение ребер куба, при использовании оптимального режима:

15,83+15,76+15,91 1ср=---= 15,83 мм.

Для пластика ABS при печати на принтере Prusa i3 Steel коэффициент усадки материала:

Кус =15,83=0,9893, или 98,93%, что на практике означает, что усадка материала равна (100-98,93)=1,07%, при 16

правильно подобранном оптимальном режиме.

V. Обсуждение результатов

Для получения необходимых геометрических параметров изделий необходимо при моделировании вносить поправку 1,07%. Для проверки данной гипотезы в выбранную модель «куб» была внесена поправка, размер ребер куба составил 16,01712 мм и произведена 3Б-печать исправленной модели.

При печати исправленной модели с режимом экструдирования 210 0С и нагревом платформы до 90 0С значения ребер составили:

Наименование ребра Значение в мм

Высота 15,99

Ширина 15,98

Длина 16,01

Был произведен расчет среднего значения куба, напечатанного с правками:

. 15,99+15,98+1601 А ,,

1ср=---=15,99 мм,что на 0,16 мм больше среднего значения, расчитанного без правок.

VI. Выводы и заключение

В ходе проведения работы был рассчитан коэффициент усадки пластика ABS при печати, что позволяет внести правки непосредственно в процессе моделирования детали, добиваясь при этом необходимых геометрических характеристик изделия. Данные расчеты были проверены экспериментальным путем и подтверждены, однако для наиболее производительной печати необходимы расчеты для других типов пластика с подбором оптимального режима. Из полученных в ходе исследования данных об усадке материала следует вывод о необходимости оставления припусков для обработки изделия после печати при помощи гравера. Таким образом, для получения необходимой геометрии деталей необходимо дальнейшее исследование данного процесса.

Список литературы

1. Elistratova A. A., Korshakevich I. S. 3d-printing techologies: advantages and disadvantages. Krasnoyarsk, 2015. 720 p.

2. Atonal-Sánchez J., Beltrán-Fernández J. A., Hernández-Gómez L. H., López-Lievano A., Moreno-Garibaldi. Termomechanical analysis of 3D printing specimens (acrylonitrile butadiene styrene) // 2019 Advanced Structured Materials. V. 92. С. 237-253.

3. Artioli B. O., Kunkel M. E., Mestanza S. N. Feasibility study of a methodology using additive manufacture to produce silicone ear prosthese // 2019 IFMBE Proceedings. V. 68 (3). С. 211-215.

4. Arruda L. M., Carvalho H. 3D printing as a design tool for wearables: case study of a printed glove. Southampton // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2018. V. 505. C. 192-198.

5. Bustillo J. P., Tumlos R., Remoto R .Z. Intensity modulated radiotherapy (IMRT) phantom fabrication using fused deposition modeling (FDM) 3D printing technique // 2019 IFMBE Proceedings. V. 68(3). C. 509-515.

6. Romanov V., Samuel R., Chaharlang, M., Frost A., Gale B. K. FDM 3D Printing of High-Pressure, Heat-Resistant, Transparent Microfluidic Devices // Analytical Chemistry. 2018. V. 90(17). C. 10450-10456.

7. Yang T. C. Effect of extrusion temperature on the physico-mechanical properties of unidirectional wood fiber-reinforced polylactic acid composite (WFRPC) components using fused depositionmodeling // Polymers. 2018. V. 10 (9). C. 976.

8. Sun Q., Rizvi G. M., Bellehumeur C. T., Gu P. Effect of processing conditions on the bonding quality of FDM polymer filaments // Rapid Prototyping Journal. 2008. V. 14(2). C. 72-80.

9. Wang T. M., Xi J. T., Jin Y. A model research for prototype warp deformation in the FDM process // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2007. V. 33(11-12). C. 1087-1096.

10. Zhang Y., Chou K. A parametric study of part distortions in fused deposition modelling using three-dimensional finite element analysis // 2008 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B : Journal of Engineering Manufacture. V. 222(8). C. 959-967.

УДК 004.942.00

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

METHODS AND MEANS OF DETERMINING THE OPTIMAL LOCATION OF INDUSTRIAL ENTERPRISES

В. В. Соседко, А. Г. Янишевская

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. V. Sosedko, A. G. Yanishevskaya

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье рассмотрена проблема, возникающая при выборе места расположения промышленного предприятия (как производственных мощностей, так и складских помещений и технического персонала) в пределах заданного региона. Для решения данной задачи представлены методы и средства определения оптимального местоположения промышленного предприятия, позволяющие провести всесторонний анализ на основе различных факторов, влияющих на размещение предприятия. Задача по определению места для размещения производственных площадей предприятия сводится к выбору наиболее оптимального варианта из предложенных на основе ряда методов. К методам определения относятся: метод взвешивания, метод размещения с учетом полных затрат, гравитационный метод, метод калькуляции затрат. После решения данных задач посредством применения каждого метода проведены анализ эффективности данных методов и сравнение полученных результатов. В целом статья решает задачи выбора расположения промышленных площадей предприятия исходя из различных требований, предъявляемых к создаваемому предприятию или его структурной единице, размещаемой в данном регионе.

Ключевые слова: методы, факторы, оптимальное размещение предприятия, имитационное моделирование, геоинформационные технологии.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-65-70

I. Введение

Эффективная деятельность промышленных предприятий определяется рядом факторов. Один из этих факторов - оптимальность размещения - как самого предприятия в регионе, так и его структурных подразделений [1, 2]. Оптимальное расположение предприятия в регионе (в том числе и на уровне федерального округа) опре-