Научная статья: "Проблемы 3D-печати"



УДК 621.791.92-023.5

Я.Г. Пуказов 

 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

 

ПРОБЛЕМЫ 3D-ПЕЧАТИ


Аддитивные технологии – процесс объединения материала с целью создания объекта из данных - модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий. Под "вычитающими" технологиями подразумевается механообработка - удаление («вычитание») материала из массива заготовки [1].

Целью данной работы является поиск решения классических  проблем в области аддитивных технологий и 3D-печати с помощью экспериментального метода исследования и разработки технологичной детали типа «поддон».

В начале 80-х годов американец Чарльз Халл (Charles W. Hull), работая в компании Ultra Violet Products, занимался разработкой и реализацией концепции трехмерной печати.  В 1986 году он получил патент на стереолитографию (SLAStereolithography Laser – технология предполагает использование специального фотополимера -светочувствительной смолы в качестве модельного материала) и основал компанию 3D Systems. Приблизительно в то же время Скотт Крамп (Scott Crump) из Stratasys разработал первый в мире FDМ-аппарат (FDM – Fused Deposition Modeling – послойная заливка экструдируемым расплавом или «печать расплавленным материалом») [2]. Строго говоря, эти две технологий, лежат в основе всех остальных технологий быстрого прототипирования.

 

а)

SLA – Stereolithography Laser
б)
FDM – Fused Deposition Modeling

Рис. 1. SLAStereolithography Laser (а) и FDM – Fused Deposition Modeling (б)


Сегодня серийному и экспериментальному производству зачастую становится экономически выгодным «напечатать» небольшую партию деталей на 3D-принтере, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. Кроме того, технологии 3D-печати позволяют значительно сократить технологическую цепочку, на ранней стадии выявить все ошибки проекта и получить полноценный прототип изделия для проведения испытаний и исследовательских работ (НИОКР)

Но есть свои проблемы и минусы. Так как строго говоря существует две технологии печати, это FDM-печать экструдируемым материалом и SLS-печать в порошковом материале лазером. Существует и ряд разных проблем в каждой технологии. В данной работе мы рассмотрим только основные проблемы печати FDM технологией, потому что она самая дешевая.

FDM-технология 3D-печати подразумевает печать детали самим материалом этой детали. Это выглядит следующим образом: у нас есть сопло, которое может двигаться в трех направлениях, к соплу подходит материал, как правило это тонкая леска. Сопло нагревает материал, он расплавляется и выходит на поверхность стола, за тем тут же затвердевает, и так сопло в самом начале печати «вырисовывает», в двухмерном пространстве стола, контур детали, это называется печать первого слоя. Затем сопло печатает второй слой поверх первого, третий поверх второго, четвертый поверх третьего и т.д. пока не напечатается деталь. Исходя из этого можно сделать вывод, что от того как напечатается первый слой зависит успех всей печати. Очень часто инженеры не уделяют этому должного внимания и в итоге получают полностью негодную деталь, а в некоторых случаях и принтер.

Решение данной проблемы - это при проектировании технологичной детали, нужно предусмотреть так называемую «юбку» шириной около 5мм и высотой 0.5мм (высота первого слоя). После производства детали, «юбка» удаляется механическим путем без всяких сложностей.

Так как FDM технология печати производит деталь слоями, отсюда вытекает вторая проблема - проблема спекания материала между слоями. Конечно, напечатанная модель будет уступать в прочности точно такой же литой модели. Прочность напечатанной детали зависит от того, куда приложена сила: вдоль слоёв или поперёк. В целом это напоминает древесину, прочность которой также зависит вдоль или поперек волокон приложена сила.

Решение данной проблемы - нужно просто учитывать и располагать деталь на рабочем столе согласно особенностям эксплуатации этой детали.

Предыдущие две проблемы в основном касаются только FDM технологии. Проблема о которой сейчас пойдет речь является фундаментальной проблемой любой аддитивной технологии 3D-печати. Суть данной проблемы заключается в том, что 3D-принтер не умеет «печатать по воздуху»! Ему нужна основа. Из-за этого мы ограничены в проектировании формы детали.


Здесь есть два варианта решения проблемы:

1)Использование поддержек. Материал поддержки (supportmaterial) — вспомогательный материал, используемый в 3D-печати для построения сложных объектов и увеличения качества и стабильности построения. Без использования поддержки невозможна трехмерная печать моделей с полостями, нависающими конструкциями, сложной детализацией, тонкими стенками или перекрытиями и другими сложными элементами [3].

2) Проектирование заведомо технологичной детали. Т.е. проектирование детали без нависающих элементов! А если от нависающих элементов нельзя избавиться, нужно стараться удешевить производства за счет использование минимального количества материала поддержки.

На данный момент рынок трехмерной печати находится в стадии активного развития, а аналитики отрасли сходятся во мнении, что аддитивные технологии станут главным фактором развития любого высокотехнологического производства в ближайшее десятилетие и со временем трансформируются в полноценную и конкурентоспособную отрасль, как это в свое время произошло с нанотехнологической отраслью.

Россия пока еще не находится в авангарде 3D-индустрии. Но определенное движение в этом направлении заметно. Недавно сибирские ученые выступили с идей создания комплексной научной программы развития аддитивных технологий и Центра по развитию 3D-индустрии. «Мы стоим на пороге новой промышленной революции, – заявил директор Конструкторско-технологического института научного приборостроения  Юрий Чугуй. – Речь идёт о том, что возникает новая отрасль с ростом рынка 27 % в год».

Что касается западных ученых, то они уже грезят новыми революционными проектами, связанными с разработкой концепции производства, полностью завязанного на 3D-печать. У этой концепции даже есть свое название – Fab Lab (сокр. от  англ. fabrication laboratory – «производственная лаборатория»).  Этот проект подразумевает создание небольшой и недорогой микрофабрики, которая будет выпускать широкую номенклатуру товаров с применением различных материалов.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Аддитивные технологии: современное состояние и перспективы – Филатов Сергей Александрович.
  2. Аддитивные технологии: история и современные реалии – Хитрых Денис Петрович.
  3. http://3d.globatek.ru/world3d/support_material/