Обзор материалов и технологий 3D-прототипирования изделий обувной промышленности

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 677.019

А. Р. Альтапов, М. А. Прец, И. Л. Голубева

ОБЗОР МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ 3Б-ПРОТОТИПИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ОБУВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: материалы, 3D-прототипирование, обувная промышленность.

В обувной промышленности прототипирование широко используется для моделирования колодок и при создании новых типов подошв. Аддитивные технологии позволяют на порядок ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции.

Keywords: materials, 3D - prototyping, the shoe industry.

In the shoe industry prototyping is widely used for last modeling and creation of new types of soles. The additive manufacturing allow to accelerate research and development and problem solving of preparation of production, and in some cases are already actively applied in production of finished goods.

В обувной промышленности прототипирование широко используется для моделирования колодок и при создании новых типов подошв, особенно спортивной обуви. При создании специальных подошв для занятия спортом требуется тщательные испытания экспериментальной модели. Для этого разрабатываются новые формы для литья резины и полиуретана, что требует времени. Однако используя аддитивные технологии, можно существенно ускорить процесс создания прототипа [1, 2]. Готовую цифровую модель нужно только отправить на печать - и из нужного материала или сочетания материалов принтер создаст готовую модель подошвы за считанные часы.

Аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза (3Б-печать), сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Они позволяют на порядок ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции. Существует множество технологий, которые можно назвать аддитивными, объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала (от англ. аdd - "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления "лишнего" материала [3].

На сегодняшний день сфера 3Б-печати находится в стадии активного развития. Появляются все новые материалы и способы печати, а старые дорабатываются и совершенствуются. Основными методами печати являются следующие:

Стереолитография (Stereo Lithography Apparatus, SLA). Метод создания трехмерной модели путем отвердения фотополимерных смол за счет облучения ультрафиолетовым лучом или другим схожим источником энергии. Исходный продукт - фотополимер со специальным реагентом-отвердителем. В обычном состоянии смесь жидкая.

Построение модели производится послойно, каждый слой создается согласно данным из трехмерной цифровой модели. В точках соприкосновения с лучом материал затвердевает, образуя новый слой [4].

Данным методом можно создавать очень большие модели с высоким разрешением печати. Полученные образцы имеют высокую механическую прочность и выдерживают температуру до 100°С. Однако выбор материалов ограничен, и печать возможна только из одного материала и одного цвета в одном цикле.

Готовые изделия обладают различными свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера. Существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов.

В обувной промышленности данная технология может применяться для создания колодок, макетов обуви и элементов декора.

Выборочное лазерное спекание

Печать модели путем последовательного спекания порошкового материала с помощью лазеров. Модель создается послойно. Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в компьютерной модели, с помощью одного или нескольких лазеров высокой мощности (рис. 1). Расходные материалы - пластики, металл, керамика, стекло, литейный воск [5].

Данным методом можно печатать очень сложные модели с высокой скоростью. Однако готовые модели требуют финишную обработку.

В обувной промышленности данная технология может применяться для создания некоторых видов подошв и для воплощения сложной дизайнерской идеи.

Метод многоструйного моделирования

Модель также печатается послойно. Построение производится с помощью печатной головки, оснащенной массивом маленьких сопел (их количество

варьируется от 96 до 448). Через сопла подается материал, который предварительно нагревается до температуры плавления, а после нанесения застывает [6].

Рис. 1 - Фигуры, напечатанные из металлического порошка методом SLS

В качестве материала могут использоваться фотополимеры (которые после печати слоя обрабатывается ультрафиолетовым излучателем для затвер-девения), пластики, специальный воск, материалы для медицинских имплантов, зубных слепков и протезов. Также возможна комбинация материалов и цветов.

В обувной промышленности данная технология может применяться для создания высокодетализи-рованных макетов обуви.

Послойное склеивание пленок

Формирование модели путем склеивания тонких пленок листового материала. Каждая пленка обрезается по заданному контуру c помощью лазерного луча или специального лезвия [7]. В качестве материала может использоваться бумага, пластик, керамика, металлическая фольга (рис. 2).

Рис. 2 - Модель, напечтанная методом LOM

Данным методом можно создавать большие модели с достаточно высоким разрешением по осям X и Y. Однако разрешение по вертикали напрямую зависит от толщины материала, поэтому модель может получиться грубой. Также требуется постобработка для удаления лишнего материала.

В обувной промышленности данная технология может применяться для создания черновых макетов, показывающих основную идею дизайнера.

3D Printing

Получение модели путем послойного склеивания порошка (гипсового композита). Склеивание производится введением специального связующего веще-

ства. Порошок наносится последовательно тонкими слоями, а контуры модели вычерчиваются печатной головкой, которая наносит связующий материал. Таким образом, каждый слой приклеивается к предыдущему. Готовую модель обрабатывают раствором-закрепителем. Можно получить полноцветную печать, добавляя красители в связующий материал [8]. Сейчас в качестве материала используется не только гипс, но и пластики, песчаные смеси.

Поверхность модели получается шероховатой, поэтому требуется постобработка.

В обувной промышленности данная технология может применяться для печати сувенирных моделей обуви. Примером могут служить сувенирные фигурки кроссовок для футболистов футбольного клуба «Рубин», выполненных Казанской фирмой «ABS3D» (рис. 3).

Моделирование методом послойного наплавле-ния

Технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве [9]. Данная технология подразумевает создание трехмерных моделей за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры компьютерной модели. Материал (термопластик) нагревается до температуры плавления, а затем через специальную головку (экструдер) наносится на рабочий стол или на предыдущий слой материала. Термопластик застывает сразу после нанесения.

Рис. 3 - Сувенирная модель кроссовок ФК «Рубин»

В обувной промышленности данная технология может применяться для создания колодок, подошв, каблуков и форм для литья. Также этим методом можно напечатать модель сложного дизайнерского решения, создать которую обычными способами затруднительно (рис. 4).

Рис. 4 - Модель подошвы, напечатанная методом FDM

Создание модели производится в несколько этапов:

1 Этап. Обработка трехмерной цифровой модели. В специальной программе модель делится на слои и ориентируется нужным образом на рабочем столе принтера. Под нависающие элементы создаются специальные поддерживающие конструкции, которые удаляются после печати.

Также на этом этапе задаются параметры печати

- толщина стенки и процент заполнения. От этих значений зависит прочность и жесткость будущей модели. Для разного назначения изделия эти параметры бывают различными.

2 Этап. Производство изделия выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев. Экструдер перемещается как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Метод FDM имеет ряд минусов. Это невысокая скорость работы, небольшие трудности с креплением модели к рабочему столу, а также термоусадка, приводящая к изменениям размеров готового изделия.

Плюсом является цена на принтеры и расходные материалы. После того, как в 2009 году закончился срок действия патентов, цены на FDM принтеры резко упали. Сейчас такой принтер можно купить даже за 300-400 долларов. Также толчком к снижению цен послужил проект RepRap. Теперь многие детали для принтера можно распечатать самостоятельно. Фактически, купив один 3D-принтер, мы можем напечатать неограниченное количество подобных принтеров. Однако не все детали можно распечатать, некоторые придется покупать.

В связи с низкой ценой, FDM принтеры могут позволить себе многие. А с ростом популярности 3D печати начали открываться много фирм, предоставляющих такие услуги.

Для печати методом FDM (FFF) используются следующие материалы:

АБС-пластик

— ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (название пластика образовано из начальных букв наименований мономеров) [10].

Благодаря своим отличным физико-механическим свойствам ABS-пластик широко применяется в медицинской, автомобильной промышленности, в производстве сантехники, спортивного инвентаря, мебели, игрушек, банковских карт, сувениров и тд.

Невысокая стоимость и легкость использования ABS-пластика обуславливают его высокую популярность в сфере 3D-печати.

В нормальных условиях ABS-пластик безопасен. Однако при нагревании начинается выделение токсичных паров акрилонитрила. В связи с этим необходимо соблюдать элементарные меры предосторожности при 3D-печати - оснащение помещения, где проводится печать, хорошей вытяжкой. Нежелательно допускать реакции ABS с этанолом. Также

не следует использовать готовые изделия из ABS для хранения алкоголя, еды и напитков.

Фактические параметры ABS-пластика для 3D-печати будут зависеть от спецификаций производителя, так как часто ABS смешивается с другими термопластиками для придания ему дополнительных свойств (например, для устойчивости к определенным растворителям).

ABS-пластик имеет ряд преимуществ. Богатая цветовая гамма; влаго-, масло-, кислотостойкость; повышенная ударопрочность; теплостойкость 103°C (до 113°C у модифицированных марок); широкий диапазон эксплуатационных температур (от -40°C до +90°C); нетоксичность в нормальных условиях; высокая эластичность; высокая долговечность в отсутствие прямого солнечного света; хорошая ценовая доступность; высокая растворимость в ацетоне.

К недостаткам относятся низкая устойчивость к воздействию прямого солнечного света; токсичность материала при высоких температурах склонность к усадке, приводящая к образованию деформаций и расслоению моделей. Поэтому требуется обеспечение подходящей климатической обстановки в зоне печати, что может быть достигнуто установкой подогревающих платформ [11].

Полилактид

Биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота.

Систематическое наименование: поли (3,6-диметил-1,4-диоксан-2,5-дион). Химическая формула - (C3H4Ü2)n.

Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник, а служат также картофельный и кукурузный крахмал, соевый белок, крупа из клубней маниока, целлюлоза. Используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов [12].

По сравнению с изготовлением «нефтяных» полимеров, при изготовлении ПЛА-пластика значительно сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу, на треть уменьшается использование ископаемых ресурсов, а применение растворяющих веществ вообще не требуется.

Обычно PLA-пластик поставляется в виде тонкой нити, которая намотана на катушку.

К преимуществам PLA-пластика можно отнести широкую цветовую палитру; нетоксичность; стабильность размеров; гладкость поверхности напечатанного изделия; отличное скольжение деталей; экономию энергозатрат из-за низкой температуры размягчения нити.

PLA-пластик идеален для 3D-печати объектов с тщательной детализацией. Готовые изделия можно подвергнуть шлифованию и сверлению, покрасить акрилом.

Однако есть и недостатки: хрупкость и недолговечность - срок службы изделия от нескольких месяцев до 2-3 лет.

Существующие методы печати на 3Б-принтерах позволяют напечатать огромное количество разных материалов, с различными размерами и степенью детализации. Технология быстрого прототипирова-ния очень быстро шагает вперёд, позволяя нам воплощать в жизнь наши самые различные идеи быстро и с минимальными затратами. Однако для разных моделей необходимо подобрать свой метод печати и подходящий материал. Это зависит от назначения модели, степени детализации, а также от типа нагрузок, которые модель будет испытывать при эксплуатации.

Литература

1. И. Л. Голубева, А. Р. Альтапов. Изучение цифрового прототипирования в курсе компьютерной графики с использованием продуктов Autodesk // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2014. - Т.17, №13. - С. 343-344.

2. И. Л. Голубева, А. Р. Альтапов. Тенденции развития информационных графических технологий по итогам международного форума Autodesk University Russia 2014 // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2015. - Т.18, №4. - С. 256-257.

3. http://konstruktor.net/podrobnee-det/items/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html

4. http://3dtoday.ru/

5. Стрельникова Л. Складываем, а не вычитаем. О тонкостях аддитивных технологий // Химия и Жизнь, 2014, №12

6. http://can-touch.ru/blog/mjm/

7. http://www.tdno.ru/catalog/28.html

8. http://www.ixbt.com/printer/3d/3d_tech.shtml

9. http://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%C1%D1-%EF%EB%E0%F1%F2%E8%EA

11. http://3dtoday.ru/wiki/abs_plastic/

12. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%EE%EB%E8%EB%E 0%EA%F2%E8%E4

© А. Р. Альтапов - ст.преподаватель каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, altapov.arnold@yandex.ru; М. А. Прец - архитектор ООО «Альфа Проект», precmari@gmail.com; И. Л. Голубева -канд.тех.наук, доц. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, golubeva1967@yandex.ru.

© A. R. Altapov, Senior Lecturer, Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, altapov.arnold@yandex.ru; M. A. Prets, LLC "Alpha Project", the architect, precmari@gmail.com; 1 L. Golubeva, Cand. Sci. (Tech.), Docent, Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, golubeva1967@yandex.ru.