Методы изготовления прототипов и деталей агрегатов различных изделий промышленности с помощью аддитивных технологий

Технопарк высшей школы

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. № 1/2014

.....................127

От редакции. Мы создаём в журнале новую рубрику с уже не новым, но актуальным и даже модным названием. Мы думаем, что её наличие в нашем журнале важно. Потому что: 1. Технопарк — это точка роста и для экономики, и для общества в целом, а значит, и для нас тоже. 2. Стимулирует развитие общественного воспроизводства наука, а высшие учебные заведения — её питательная среда, и мы тоже считаем себя внутри этой среды. 3. Лидеры в области техники и технологии сначала производят знания на своей площадке, у себя «дома», а мы поддерживаем такие цели — быть на уровне лидеров. 4. Миссия нашей рубрики — способствовать обмену опытом, распространению инновационных технологий, исходящих из научной среды вуза. Мы надеемся, что эта рубрика будет вам не только интересна, но и полезна.

Александр Евгеньевич Волхонский, профессор кафедры «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов» РГТУ-МАТИ имени КЭ. Циолковского, кандидат технических наук,

Кирилл Вячеславович Дудков, магистрант кафедры «Технологии производства летательных аппаратов» РГТУ-МАТИ имени КЭ. Циолковского

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТОТИПОВ И ДЕТАЛЕЙ АГРЕГАТОВ РАЗЛИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Описаны основные методы создания прототипов и деталей агрегатов и узлов изделий различных отраслей промышленности с применением современного оборудования, использующего аддитивные технологии. Представлены схемы 3Б-принтеров, материалы, описаны режимы изготовления. Показаны перспективы применения различных методов послойного синтеза. Выполнены опытные работы по освоению одного из вариантов аддитивной технологии — FDM, для изготовления детали конструкции летательного аппарата.

На современном этапе развития про- ции различных объектов создаваемой техни-мышленности вопросы разработки методов ки являются такими же актуальными, как проектирования, изготовления и эксплуата- и много лет назад. В то же время современ-

128

ное состояние науки и техники позволяет решать эти вопросы более качественно. На этапах проектирования перед создателями любых аппаратов и машин стоят вопросы выбора оптимальной конструкции, проверки её на работоспособность, изготовления с минимальными затратами и с требуемым качеством. Обеспечение возможности проверки качества детали, технологичности, апробации её изготовления на различном оборудовании — важный элемент проектирования. Для этих целей в последнее время активно внедряются за рубежом и постепенно в нашей стране процессы быстрого про-тотипирования и производства (Rapid Prototyping and Manufacturing, RPM).

Аддитивные технологии, или технологии послойного синтеза, — сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Термин «аддитивные технологии» (Additive Fabrication — AF, Additive Manufacturing — AM) означает изготовление изделия путём «добавления» материала, в отличие от традиционных технологий механической обработки, в основе которых лежит принцип «вычитания» лишнего материала из заготовки. Аддитивные технологии предполагают формирование детали путём последовательного «наращивания» материала слой за слоем. Процесс «быстрого моделирования» или 3D-печати используется для изготовления различных объектов сложных форм из различного вида пластмасс и полимерных смол. В качестве материалов используются жидкие, порошковые, нитевидные полимеры; литейные воски; листовые материалы — бумага, ПВХ-плёнка; гипсовые композиции; плакированный литейный песок; металлические, керамические порошки и ряд других.

В эпоху инновационной экономики время, затраченное на производство товара, является важнейшим фактором успеха или неуспеха бизнеса. Даже качественно произведённый товар может оказаться невостребованным, если рынок к моменту выхода новой продукции уже насыщен подобными товарами компаний-конкурентов.

Технологии послойного синтеза являются мощным средством сокращения времени технологической подготовки производства (ТПП) при переходе к выпуску новых изделий в авиа- и ракетостроении, машиностроении и других наукоёмких отраслях, времени собственно изготовления и повышения качества создаваемых изделий. Поэтому всё больше отраслей промышленности активно осваивают AF-технологии.

В нашей стране имеются крупные компании, обладающие оборудованием высокого уровня, которые, как правило, решают достаточно сложные производственные задачи и оказывают широкий спектр услуг, сопутствующих прототипированию, способны от начала до конца провести НИОКР и проконтролировать качество работ на каждом этапе. Они представляют собой специализированные центры, обладающие как соответствующим оборудованием, так и всем комплексом программных продуктов, позволяющих в одном месте провести проектирование и решение инженерных задач по подготовке и созданию изделий наукоёмких отраслей промышленности. К ним можно отнести ФГУП «НАМИ», АБ «Универсал», НПО «Салют», ОАО «НИАТ» (Москва), УМПО (Уфа), НИИ «Машиностроительные технологии», ОАО «Тушинский машиностроительный завод» и ряд других [9, 10].

Основным препятствием применения в нашей стране АМ-технологий является то, что высокотехнологичное оборудование, способное обеспечить высокое качество изделий, стоит дорого и требует для эксплуатации и обслуживания квалифицированного, специально обученного персонала.

Однако 3Б-печать — одна из самых интересных перспективных технологий, которые уже в этом году обещают стать по-настоящему массовыми. Ещё недавно упоминание 3Б-принтеров вызывало ассоциации со шкафами стоимостью неплохого автомобиля. Теперь же домашний принтер, и довольно качественный, можно купить за те же деньги, что и хороший ноутбук, а установить его и начать работу — за 15 минут.

Сама по себе технология трёхмерной печати методом послойного нанесения микроскопических капель расплавленного пластика (экструзии) далеко не нова. Разработана она была в конце 1980-х, а первые коммерческие продукты появились в начале 1990-х. С тех пор подобные 3Б-принтеры применялись в промышленности, разработке и в научно-исследовательских целях. Сфера применения была ограничена главным образом ценой — она составляла как минимум десятки тысяч долларов. В XXI в. с трёхмерными принтерами стало постепенно происходить то же, что в своё время с компьютерами — устройства становились не только совершеннее, но и компактнее и, главное, дешевле. Несколько лет назад технология пошла «в народ». Десятки фирм и просто группы энтузиастов по всему миру стали наперебой предлагать 3Б-принтеры в виде как готовых продуктов, так и «полуфабрикатов», своего рода наборов «сделай сам». Всё это делалось с целью снизить цену, но вме-

129

сте с ней зачастую падало и качество. Всё-таки эффективно проследить за ним можно, лишь выпуская принтеры в заводских условиях. Понятно, что рано или поздно должны были появиться и массовые устройства, приобрести и освоить которые по плечу не только талантливому «самоделкину», но и рядовому дизайнеру, архитектору, инженеру или просто любопытствующему.

В мире существует около 40 фирм — производителей RP-машин, большинство из которых разработали и применяют оригинальные запатентованные технологии. Методы построения моделей, т.е. AF-техноло-гии, могут быть разными и зависят от способов формирования слоя и его соединения (склеивания, спекания, сваривания) с общим массивом модели или изделия. Основные из них:

• стереолитография (Stereo Lithography Apparatus — SLA);

• селективное лазерное спекание порошковых материалов (Selective Laser Sintering — SLS);

• послойное наложение расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling — FDM);

• струйное моделирование (Ink Jet Modelling);

• ламинирование листовых материалов (Laminated Object Manufacturing — LOM);

• облучение УФ-лампой через фотомаску (Solid Ground Curing — SGC).

Стереолитография

Стереолитография (SLA — от Steriolithogra-phy Apparatus) — способ получения моделей посредством отверждения тонкого слоя жидкого фотополимера лучом ультрафиолетово-

130

го лазера. Метод изготовления был запатентован в 1986 г. Чарльзом Халлом, основавшим впоследствии компанию 3D Systems (США) и которая является пионером в области практического освоения технологий быстрого прототипирования. Ею впервые была представлена для коммерческого применения стереолитографическая машина SLA-250 [1]. Лазерная стереолитография позволяет в считанные часы пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели вашей детали.

Рис. 1. Аппарат SLA-250

Суть процесса состоит в послойном изготовлении тpёхмеpных объектов из от-веpждаемой лазеpным излучением жидкой олигомерной фотополимеризующейся композиции (ФПК). Олигомерное вещество по химической структуре отличается от полимерного (пластик, резина) тем, что его молекулы-цепочки не бесконечно большие, а относительно короткие, состоящие из ограниченного количества звеньев-мономеров. Под воздействием специального реагента молекулы могут соединяться между собой и быстро создавать полимерные цепочки — вещество из вязкой жидкости становится твёрдым, полимеризуется. В качестве бытового примера можно привести эпоксидную смолу. Это двухкомпонентый клей, содержащий олигомерную «основу» и реагирующий с ней «отвердитель». При реакции состав полимеризуется по всему объёму, приклеиваясь к пропитанной поверхности.

В данной технологии нет необходимости отверждать весь объём целиком. Наоборот, необходимо «склеивать» на каждом слое только элементы тела детали и оставлять жидким окружающее пространство. Для этой цели в установке применён управляемый лазерный пучок, который и «указывает», каким зонам нужно полимеризоваться, обходя ненужные. В смолу же введён фотоинициатор — вещество, подобное отверди-телю в эпоксидной смоле. Однако оно реагирует не сразу, а только под действием лазерного освещения. В результате неосвещённые участки остаются жидкими, а освещён-ные — твердеют, формируя тело детали-прототипа.

Перед печатью трёхмерного объекта файл с чертежом детали, создаваемом на компьютере, импортируется из CAD-приложения в специальный формат — STL (рис. 2).

131

Рис. 2. Компьютерная модель для 3Б-принтера

Фокусирующая линза

Лазер

Модель Разравниватель Подъёмник

Рис. 3. Устройство и принцип работы 3Б-принтера, использующего БЬА-технологию

В начале работы с помощью специализированного программного обеспечения производится «нарезка» исходной компьютерной 3Б-модели на слои. Далее подвижная рабочая платформа, на которой формируется изделие, опускается на толщину одного слоя, и лазером создаётся рисунок первого «среза» модели. Затем платформа снова опускается, поверхность заливается полимером, выравнивается, и на ней даётся рисунок следующего «среза» — и так слой за слоем, пока изделие не будет готово (рис. 3).

Таким образом может быть сформирован прототип любой геометрической формы. После окончания процесса модель извлекается из установки, очищается от остатков жидкой смолы и дополнительно полимери-зуется.

Качество поверхности стереолитографи-ческих моделей весьма высокое, и часто модель не требует дальнейшей обработки. При необходимости качество поверхности может быть улучшено. «Зафиксированный» фотополимер хорошо обрабатывается, и по- верх-ность модели может быть доведена до зеркальной.

Принтеры, использующие SLA-техноло-гию, имеют самое высокое разрешение печати среди аналогичных устройств (минимальная толщина слоя SLA-принтеров от 3D Systems доходит до 0,025-0,05 мм) и позволяют создавать гладкие и прочные модели с тщательной проработкой мельчайших деталей. Габариты «выращиваемых» в них изделий могут достигать 75*75*75 см, но и сами принтеры отличаются крупными размерами и большим весом: аппарат для печати даже небольших (25*25*25 см) фигур имеет размеры шкафа и весит около

132

полутонны. Кроме того, такие принтеры довольно дороги, ассортимент материалов не отличается разнообразием, а скорость печати не превышает нескольких миллиметров в час (по вертикали). Именно поэтому SLA-продукты от 3D Systems продаются, как правило, поштучно и в нашей стране особой популярности не получили [2].

Существует также разновидность стере-олитографии, разработанная в 1987 г. израильской фирмой Cubital и получившая название Solid Ground Curing (SGC). От варианта 3D Systems она отличается способом засветки фотополимера. Процесс прототи-пирования в первых моделях напоминал ксерокопирование: на специальное стекло наносилась маска текущего слоя, а затем производилась его засветка сразу по всей поверхности посредством ультрафиолетовой лампы. В современных SGC-принтерах вместо маски используется DLP-матрица. Разрешение печати такого аппарата уступает SLA-аналогам (минимальная толщина слоя составляет 0,1 мм), но и цена заметно ниже. Скорость печати (по вертикали) SGC-систем доходит до 20 мм/час.

Преимущества лазерной стереолитогра-фии:

• изготовление 3D-моделей любой сложности, в том числе тонкостенных и имеющих мелкие детали с высокими механическими свойствами;

• высокая точность построения и высокое качество поверхности при отсутствии ограничений по сложности исполняемой геометрии;

• используемый материал легко поддаётся обработке;

• скорость изготовления детали высока и легко настраивается;

• возможность использования различный полимерных смол;

• производство является безотходным, низкий расход материала, обуславливающий низкую цену.

133

Рис. 4. Различные SLA-модели [1-3]

Селективное лазерное спекание порошковых материалов

Селективное лазерное спекание (рис. 5) — SLS-технология — ещё одно важное направление аддитивных технологий, разработанное в 1986 г. Карлом Декартом из Техасского университета. Здесь строительным (модельным) материалом являются сыпучие, порошкообразные материалы, а лазер является не источником света, как в SLA-маши-нах, а источником теплоты, с помощью которой производится сплавление частичек порошка.

Чтобы принтер мог использовать селективное лазерное спекание, требуется наличие мощного лазера, который сможет соединить пластиковые, металлические или керамические элементы в одно целое. Для работы с таким принтером также требуется создание виртуальной модели объекта. Лазер будет сканировать модель, сплавляя порошок из пластика или любого другого расходного материала. Процесс плавления порошка происходит поэтапно, и скорость печати зависит от скорости сканирования каждого разреза. Внутри камеры принтера не должно быть кислорода.

Разравниватель порошка

Подача порошка.

Подвижное дно\ для подачи порошка

Поршень

Фокусирующие линзы

Подвижное зеркало

Луч лазера

Модель

Порошок

Подвижное дно рабочей камеры

Поршень

Рис. 5. Устройство и принцип работы 3Б-принтера, использующего SLS-технологию

Рис. 6. 3Б-принтер, использующий ЗЬБ-технологию — устройство компании Клр1<1Гогт

Среди преимуществ технологии селективного спекания можно отметить её многофункциональность, так как она позволяет принтеру использовать несколько видов порошковых расходных материалов. В качестве таких модельных материалов используется большая номенклатура как полимерных, так и металлических порошков.

134..............

Машины, строящие детали из металла — поистине верх инженерного искусства. Здесь сконцентрированы самые передовые знания по металлургии, лазерной технике, оптике, электронике, системам управления, измерительным устройствам, механике, вакуумной технике и т. д.

Металл — это всегда была заветная мечта всех разработчиков аддитивных машин. Ведь металлическая деталь не просто модель, не макет, не «прототип» в разной степени приближения к нужному изделию, а это «настоящий» товар, конечное изделие с максимальной добавленной стоимостью. Поэтому послойное лазерное спекание (сплавление) металлопорошковых композиций привело к появлению отдельного направления БЬБ-технологии, которое стимулировало и развитие технологий получения порошков металлов. Сегодня номенклатура металлических композиций имеет широкий спектр материалов на основе никеля и кобальта, на основе железа, нержавеющей стали, титана и алюминия. Производятся порошки бронз, специальных сплавов, и даже драгоценных металлов, которые применяются для нужд дентальной медицины [3].

Из металлических порошков «выращивают» заготовки пресс-форм, специальные инструменты, оригинальные детали сложной конфигурации, которые затруднительно или невозможно получить литьем или с помощью механической обработки, им-планты и эндопротезы и многое другое (рис. 7). Уже сейчас при штучном и мелкосерийном производстве зачастую становится экономически выгоднее «вырастить» небольшую партию деталей на 8Ь8-маши-не, чем изготавливать литейную или штам-повую оснастку.

Рис. 7. Примеры деталей, выполненных с использованием SLS-технологий

^руйное моделирование

Различные запатентованные разновидности этой технологии называются: MJM (Multi Jet Modeling) — 3D Systems; PolyJet (photopolymer jetting) — Objet Geometries; DODJet (Drop-On-Demand-Jet) — Solidscape.

Все эти технологии имеют свои особенности, но функционируют по одному принципу. Печатающая головка, содержащая от двух до 96 сопел, наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя (рис. 8). После нанесения слоя могут проводиться его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного — широкий спектр материалов, очень близких по свой-

135

ствам к конструкционным термопластам (рис. 8). Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными механическими свойствами — от мягких, резиноподобных до твёрдых, похожих на пластики. Производители принтеров: 3D Systems, Objet Geometries Ltd., Solidscape, Inc.

Печатающая головка

Рис. 8. Схема работы установки струйного моделирования

Ламинирование листовых материалов

Слои прототипа создаются при помощи послойного склеивания плёночных материалов, например полимерной плёнки или ламинированной бумаги. Затем модель «вырезается» по контуру сечения в верхнем слое, а поверхность, которую затем нужно будет удалить, режется с помощью лазерного луча или режущего инструмента на мелкие квадратики. Каждый новый слой соединяется с предыдущим за счёт прокатки термоваликом, создаётся новое сечение, которое затем также вырезается (рис. 9). После того, как изделие было полностью изготовлено, мелко порезанные излишки материала легко удаляются вручную. Затем поверхность модели,

136

как правило, шлифуется, полируется или окрашивается [4].

Структура полученного прототипа получается похожей на древесную и может разрушаться под воздействием влаги. Основной производитель оборудования — Helisys, Inc.

Лазер

Нагретый валик

Луч лазера

головка Слой в работе

Вырезанный контур

Пода-вае-мый лист

Рис. 9. Схема работы 3Б принтера по технологии ламинирования листовых материалов (а) и модель (б), напечатанная 3Б-принтером с технологией ЬОМ

Облучение УФ-лампой через фотомаску

Облучение ультрафиолетом через фотомаску — оно же Solid Ground Curing или SGC предполагает создание готовых моделей из слоёв распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами.

Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается. Процесс повторяется до полного построения модели [5].

Источник УФ-излучения

Маска

Линза для

уменьшения

изображения

С >

Рис. 10. Технология облучения ультрафиолетом через маску

Послойное наложение расплавленной полимерной нити

Эта технология, разработанная компанией Stratasys, позволяет быстро изготавливать прототипы методом послойной укладки полурасплавленной полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD. Многие пользователи установок FDM рассматривают эту технологию как дизайнерскую. Иначе говоря, она является инструментом, тесно связанным с САПР и управляемым при помощи САПР, для визуализации и анализа дизайнерских идей на ранних стадиях разработки, позволяя значительно сократить временной разрыв между концепциями и их воплощением в жизнь.

Анализ изделий ракетно-космической техники показывает, что современный ЛА характеризуется разнообразием применяемых материалов, малыми сериями изготовления, состоит из деталей имеющих широкую номенклатуру, сложную геометрическую форму и использует широкий спектр технологий, несущих за собой огромный парк различного оборудования. К числу таких деталей можно отнести детали типа «колодка», применяемые в большом количестве для крепления трубопроводных магистралей различных систем летательных аппаратов.

FDM-принтер позволяет при изготовлении данной детали повысить её качественные характеристики, увеличить точность размеров рабочей поверхности, расширить функциональные возможности, увеличить надёжность, ресурс, к.п.д, а также улучшить другие эксплуатационные характеристики изделия в целом, не говоря уже о сокращении времени производства.

137

Применяемые материалы

Одним из наиболее востребованных термопластичных сополимеров в производстве сложных формованных изделий, требующих высокой точности изготовления, является АБС-пластик (акрилнитрилбутадиенсти-рол) — термопластичный тройной сополимер стирола, акрилонитрила и бутадиена, стойкий и прочный полимер, хорошо подходящий для изготовления из него деталей различного назначения по технологии FDM и являющийся наилучшим материалом для работы с BD-принтером. АБС-пластик — непрозрачный материал тёмного цвета с блестящей поверхностью, устойчивый к действию влаги, смазочных масел, растворов неорганических солей, кислот и щелочей, жиров и углеводородов, нетоксичен. Растворяется в некоторых органических растворителях — ацетоне, эфире, бензоле, этилен-хлориде, анилине, анизоле.

Чередование акрилонитрильных и бутадиеновых звеньев со стирольными фрагментами определяют эластичность и уда-ропрочность материала. По механической прочности, жёсткости, ударной вязкости и теплостойкости АБС-пластик превосходит другие сополимеры стирола, а также ударопрочный полистирол. Характеризуется хорошей износостойкостью, высокой размерной стабильностью. АБС-пластик хорошо поддаётся сварке. Поверхности из АБС-пластика пригодны для вакуумной металлизации и напыления гальванического покрытия.

К недостаткам немодифицированного АБС-пластика можно отнести относительно невысокие электроизоляционные свойства по сравнению с полистиролом, а также невысокую атмосфероустойчивость, в частно-

138..............

сти чувствительность к действию лучей в широком диапазоне. Некоторые характери-УФ-диапазона. стики немодифицированного АБС-пластика

В зависимости от состава сополимера приведены в табл. 1. свойства АБС-пластика могут варьироваться

Таблица 1

Физические характеристики АБС-пластика

Плотность 1,02-1,08 г/см3

Прочность при растяжении 35-50 МПа

Прочность при сжатии 46-80 МПа

Прочность при изгибе 50-87 МПа

Усадка (при изготовлении изделий) 0,4-0,7%

Относительное удлинение 10-25%

Влагопоглощение 0,2-0,4%

Модуль упругости при растяжении при 23 °С 1700-2930 МПа

Ударная вязкость, по Шарли (с надрезом) 10-30 кДж/м2

Твёрдость, по Бринеллю 90-150 МПа

Теплостойкость, по Мартенсу 86-96 °С

Температура размягчения 90-105 °С

Максимальная температура длительной эксплуатации 75-80 °С

Диапазон технологических температур 200-260 °С

Диапазон рабочих температур от -40 до +85 °С

Физико-механические характеристики АБС-пластика определяются его структурой и могут быть изменены методом подбора исходных мономеров и варьированием их соотношений. Одной из основных задач модификации полимеров является корректировка в нужном направлении их свойств.

Например, АБС-пластик, устойчивый к действию УФ-лучей, может быть получен с использованием насыщенных эластомеров вместо бутадиена. Прозрачный АБС-пластик можно получить, если проводить сополиме-ризацию при участии четвёртого мономера — метилметакрилата. Введение же в качестве четвёртого мономера а-метилстирола или Ы-фенилмалеинимида позволяет получить теплостойкий АБС-пластик, который

можно кратковременно нагревать до 110-130°С и длительно эксплуатировать при температурах до 90-100°С.

АБС-пластик можно вспенивать, наполнять высокодисперсными веществами, короткими стеклянными волокнами, антипи-ренами и другими компонентами, которые будут изменять его свойства.

Способность АБС-пластика плавиться при относительно невысоких температурах (около 100°С) и снова затвердевать при остывании, не теряя при этом своих свойств, позволяет подвергать его вторичной переработке. Чистота АБС-пластика, полученного из вторсырья по современным технологиям разделения и переработки отходов может достигать 99%, что бесспорно явля-

139

ется ещё одним достоинством этого материала [4, 5].

Технология и техника эксперимента

В настоящее время на рынке существуют различные RPM-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако все современные системы быстрого прототипирования работают по схожему послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем:

• средствами CAD создаётся графическая BD-модель детали (рис. 11, 12);

• готовая модель записывается в STL-файл (все современные CAD-системы твердотельного моделирования могут экспортировать файлы в формат стерео-литографии);

• STL-файл (BD-модель) в фомате STL передаётся в программное обеспечение BD-принтера (установку быстрого про-тотипирования). Программа автоматически (или оператор вручную) располагает модель в виртуальном пространстве рабочей камеры (на столе). Затем программа автоматически генерирует элементы поддерживающих конструкций и проводит расчёт расходных материалов, а также времени выращивания прототипа;

• перед запуском процесса трёхмерная модель печати автоматически разделяется на горизонтальные сечения (слои) от ± 0,178-0,254 мм толщиной с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием и производится расчёт путей перемещения печатающей головки;

Рис. 11. Чертёж детали типа «колодка»

Рис. 12. Графическая 3Б-модель детали

• запускается процесс печати: производится последовательное построение сечений детали слой за слоем нагревающей головкой (экструдером) с фильерами, которая расплавляет тонкую пластиковую нить (леску) и послойно укладывает её согласно данным математиче-

140

ской 3Б-модели снизу вверх до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели. Каждый последующий слой приваривается или приклеивается к предыдущему, и так до полного построения модели (см. рис. 13, 14). Результатом работы становится пластмассовый или металлический прототип (это зависит от расходного материала), который ничем не отличается от оригинала;

• по окончании создания модели проводятся финишные операции в зависимости от метода прототипирования и применяемого материала. Дополнительные возможности: прототипы легко красятся обычной краской или автоэмалью; прототипы можно сверлить, полировать или шлифовать, подвергать любой механической обработки; части моделей легко склеиваются между собой любым клеем для пластика.

яатушхциасът 3 с штериапом поддержек

катушка /кзевтз е оенааным материалом

уйапяамав поддаржна

исхйвпая САО-модсль в STL'ipophiamc

наереваощап гопоека с филырзмн

готоеыО прототип

ochogshuq на столе

Рис. 13. Схема работы ГБМ-принтера: 1 — печатающая головка

Рис. 14. FDM-принтер и принцип построения модели

Результаты и обсуждение

Изготовление (печать) деталей типа «колодка» проводилось на 3D-принтере Makerbot Replicator 2X (табл. 2). Принтер позволяет наносить слой в 100 мкм с высоким разрешением; при стандартной печати он достигает 270-340 микрон, что дало возможность получать детали с различными механическими свойствами. Размеры изготавливаемых деталей ограничиваются только размерами рабочей части [8].

.....................141

Таблица 2

Технические характеристики 3D принтера Makerbot Replicator 2X

Фактический объём печати 24,6x15,2x15,5 см

Материал корпуса: сталь с порошковым покрытием

Материал печати АБС-пластик

Разрешение и точность

Режим высокого разрешения: 100 мкм

Режим нормального разрешения 270 мкм

Режим для быстрой печати 340 мкм

Точность позиционирования XY: 11 мкм

Z: 2,5 мкм

Диаметр нити: 1,75 мм

Диаметр сопла: 0,4 мм

Программное обеспечение

Комплект программного обеспечения: MakerWare™ Bundle 2.0

Типы файлов: STL, OBJ,.thing

Поддерживаемые операционные системы: Windows

Интерфейсы: USB, SDcard [включая]

Рабочие условия

Рабочая температура окружающей среды: 15-32°С

Температура хранения: 0-32 °С

Входное напряжение: 100-240 В, ~4А,50-60 Гц

Вес: 12,6 кг

Габаритные размеры: 49x42x53,1 см

Точность построения моделей составляет от 0,127 мм до 0,254 мм. Поверхность слегка ребристая (ступенчатая) (в пределах 0,2 мм) (рис. 15). Ребристость обусловлена тем, что расплавленная нить АБС-пластика (АВ8Р1ш) имеет округлую форму и в процессе печати происходит быстрое охлаждение материала, что влечёт за собой усадку.

Изготавливаемые детали имеют разное процентное заполнение материалом рабочего объёма конструкции. Верхние четыре слоя выполнены со 100%-ным заполнением. Нижележащие слои выкладываются таким образом, что в горизонтальном сечении

образуется сотовая ячейка, размеры которой зависят от процентного заполнения детали исходным материалом. Масса полученных деталей «колодка» составила:

— со 100%-ным наполнением — 8 г (размер ребра внутренней ячейки близок к нулю);

— с 80%-ным наполнением — 4 г (размер ребра внутренней ячейки — 2 мм);

— с 50%-ным наполнением — 3 г (размер ребра внутренней ячейки — 4 мм). Масса колодки из АБС в 2,5 раза легче

колодки из алюминиевого сплава при равных характеристиках удельной прочности.

142

Рис. 15. Образцы изготовленных деталей типа «колодка»

Выводы

1. Технология послойного синтеза — готовое решение для печати прототипов или готовых деталей средних и больших размеров, с простой или средней сложностью поверхности. Она позволяет сократить время технологической подготовки производства (ТПП) при переходе к выпуску новых изделий в авиа- и ракетостроении и других наукоёмких отраслях, время изготовления и повышает качество создаваемых изделий.

2. Технологические процессы послойного синтеза различных материалов позволяют создать прототип или модель изделия сложной формы в соответствии с твердотельной моделью детали, созданной на компьютере при проектировании.

3. Основным достоинством применяемого материала и метода изготовления является достаточная дешевизна, хорошие механические свойства (если необходимы работающие прототипы сложных механизмов), стабильность геометрических размеров, возможность последующей доработки (склейка, покраска).

4. Варьирование объёмного наполнения материала позволяет снизить массу изготавливаемых деталей, что даёт значительную экономию средств. Для более детального изучения характеристик необходимо провести испытания на прочность в соответствии с условиями работы детали в конструкции.

5. В настоящее время применение 3Б-принтеров как в быту, так и в масштабах производства вряд ли возможно из-за стоимости их покупки и эксплуатации (цены на 3Б-принтеры варьируются от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч долларов), однако разработчики RP-установок в последнее время ориентируются в основном на оптимизацию продукции и выпуск недорогих и быстрых машин, стремясь снизить стоимость и увеличивая объём рабочей камеры. Темпы развития технологий позволяют предполагать, что через несколько лет подобные установки не будут восприниматься как нечто необычное, а станут использоваться повсеместно.

Литература

1. Быстрое прототипирование. [Электронный документ] — Режим доступа: http:// mlbp.narod.ru/examples.htm

2. История 3D печати. [Электронный документ] — Режим доступа: http://www. orgprint.com/en/wiki/istorija-3d-pechati

143

3. SLA-машины. Машины для выращивания моделей из фотополимерных композиций. [Электронный документ] — Режим доступа: http://rp-salon.ru/katalog/3dsystems. html

4. Популярные способы 3d-печати. [Электронный документ] — Режим доступа: http://3dtoday.ru/3dprinters/instruction/1198

5. Быстрое изготовление прототипов. [Электронный документ] — Режим доступа: http://rp-salon.ru/main/proto.html

6. Парми Олсон. Airbus исследует возможность строительства самолётов на гигантских 3D принтерах. [Электронный документ] — Режим доступа: http://isicad.ru/ru/ articles.php?article_num=15472.

7. Лаборатория трёхмерной печати. [Электронный документ] — Режим доступа: http://www.lab3dprint.ru/support/425-abs-vs-pla.

8. 3D принтер Makerbot Replicator 2X. [Электронный документ] — Режим доступа: http://vektorus.ru/product/3d-printer-makerbot-replicator-2x-rep2x/(принтер).

9. Агеев Р.В., Кондратов Д.В., Мас-лов Ю.В. Применение аддитивных технологии при проектировании и производстве деталей аэрокосмических объектов. // Полёт, 2013, № 6. С. 35-39.

10. Панферова Е.А., Струков А.Н., Стру-кова А.В., Мищенко В.Ю. Методы создания прототипов изделия в аэрокосмической отрасли и применяемое оборудование. // Полёт, 2013, № 7. С. 29-33.