Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Сейчас понятие объёмного моделирования 3D прочно вошло в нашу жизнь. Едва ли найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о 3D-печати. 3D-печать - это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D-модели. Потом цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL, после чего 3D-принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.

Процесс печати – это последовательность повторяющихся циклов, связанных с созданием 3D-моделей, нанесением на рабочий стол принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.

Этапы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Появление и внедрение трехмерной печати – это серьезная альтернатива традиционным методам прототипирования и мелкосерийному производству. 3D-принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты.

Преимуществами 3D-печати по сравнению с ручными способами построения моделей — являются выше скорость, намного проще и ниже стоимость.

3D-технологии дают возможность полностью заменить ручной труд и тем самым упростив процесс разработки и создания модели — программное обеспечение показывает модель во всех ракурсах на экране, и позволяет устранить выявленные недостатки не в процессе создания, а при разработке, что ускоряет создание модели. Маленькая вероятность совершения ошибок в отличие от ручной работы.

Технология трёхмерной печати зародилась в середине ХХ века, тогда же были выпущены первые 3D-принтеры, больше напоминавшие производственные станки, нежели печатающие устройства. Цена таких устройств составляла от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч долларов. С развитием технологии трёхмерной печати 3D-принтеры становились более компактными и дешёвыми. Появились первые устройства, доступные не только для промышленных предприятий и крупных коммерческих организаций, но и для мелких предпринимателей и домашних хозяйств. Материалы для 3D-печати могут быть самыми разными от так называемого ABC-пластика до бетона.

Рис. 1. Современный 3D-принтер

Современные трёхмерные печатающие устройства научились создавать не только предметы обихода и одежду, но и собственные детали, продукты питания, человеческие ткани и органы. 3D-печать ведёт свою историю с 1948 года, когда американец Чарльз Халл разработал технологию послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополимеризующейся композиции.

Общие принципы 3D-печати

Конструктивные особенности 3D-принтера целиком и полностью зависят от технологии аддитивного производства (ап), положенной в его основу. Автоматизированное ап невозможно без источника информации о взаиморасположении элементов объекта печати, его геометрии. Таким источником информации служат цифровые трехмерные модели, они создаются методом ручного компьютерного графического дизайна или методом 3D-сканирования. Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для создания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру.

3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель. Построение модели с применением современных технологий занимает от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от используемого метода, а также размера и сложности модели. Промышленные аддитивные системы могут, как правило, сократить время до нескольких часов, но все зависит от типа установки, а также от размера и количества одновременно изготавливаемых моделей. Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл, содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая объёмную модель из серии поперечных сечений. Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.

Разрешение принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»). Типичная толщина слоя составляет 100мкм. Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный размер частиц составляет около 50−100 мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.

Традиционные производственные методы, такие, как литье под давлением или прессование, могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве, позволяя достигнуть более высокого темпа производства и гибкости дизайна, наряду с повышенной экономичностью в пересчете на единицу произведенного продукта. Кроме того, настольные 3D-принтеры позволяют дизайнерам и разработчикам создавать концептуальные модели и прототипы, не выходя из офиса.

Некоторые методы ап предусматривают возможность использования нескольких материалов, а также разных цветов в течение одного производственного цикла. Многие из 3D-принтеров используют поддержки, или опоры, во время печати. Опоры необходимы для построения фрагментов модели, не соприкасающихся с нижележащими слоями или рабочей платформой. Сами опоры не являются частью заданной модели и по завершении печати либо отламываются, либо растворяются.

Технологические особенности процесса трехмерной печати главным образом зависят от технологии ап лежащей в основе этого процесса.

Область применения 3D-печати

В архитектуре, например, 3D-печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой — скверами, парками, дорогами и уличным освещением. Благодаря используемому при этом дешёвому гипсовому композиту обеспечивается низкая себестоимость готовых моделей.

В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций.

Всё большее применение находят 3D-принтеры в области протезирования в стоматологии, так как эти технологии позволяют быстрее получить протезы, чем при традиционном изготовлении. Немецкими учёными была разработана технология получения человеческой кожи. При её изготовлении используется гель, полученный из клеток донора. Возможности, которые открывает 3D-печать во многих сферах деятельности человека поистине безграничны.

Используемые материалы для изготовления 3D-моделей.

AБC-пластик. АBC-пластик известен как акрилонитрилбутадиенстирол. Один из лучших расходных материалов для 3D-печати. АБС-пластик – это ударопрочный термопластичный полимер, полученный сополимеризацией акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Пропорции этих компонентов (рис. 2) в составе АБС-пластика могут варьироваться в пределах 15 - 35 % для акрилонитрила, 5 - 30 % для бутадиена и 40 - 60% для стирола.

Рис. 2. Мономеры для синтеза АБС-пластика

Температура плавления АБС-пластика составляет от 220℃ до 248℃. Его можно приобрести в виде порошка или тонких пластиковых нитей, намотанных на бобины. 3D-модели из АБС-пластика долговечны, но не переносят прямой солнечный свет. С помощью такого пластика можно получить только непрозрачные модели.

Рис. 3. АБС-пластик намотанный на катушки

АБС-пластик получил широкое применение в промышленности. Он применяется для изготовления:

Кроме того, АБС-пластик применяется как добавка, повышающая теплостойкость и улучшающая перерабатываемость композиционных материалов на основе поливинилхлорида (ПВХ), как добавка, повышающая ударную вязкость полистирола, а также как добавка, снижающая цену поликарбонатов.

Акрил. Используется в 3D-печати для создания прозрачных моделей. При использовании акрила необходимо учитывать следующие особенности: для данного материала нужна более высокая температура плавления, чем для АБС-пластика, он быстро остывает и твердеет. В разогретом акриле появляется множество мелких воздушных пузырьков, которые могут вызвать визуальные искажения готового изделия.

Рис. 4. Буквы, напечатанные из акрила

Бетон. Сегодня изготовлены пробные образцы 3D-принтеров для печати бетоном. Это огромные печатающие устройства, которые кропотливо, слой за слоем, возводят из бетона строительные детали и конструкции. Такой 3D-принтер может за 20 часов построить жилой двухэтажный дом общей площадью 230 м². Для 3D-печати используется усовершенствованный сорт бетона, формула которого на 95% совпадает с формулой обычного бетона.

Рис. 5. Помещения, напечатанные бетоном

Бумага. Это доступный и недорогой материал, то и бумажные модели получаются недорогими и доступными для пользователей. Такие модели печатаются послойно, причём каждый последующий слой бумаги вырезается принтером и наклеивается на предыдущий. Модели из бумаги печатаются быстро, но получаются не прочными. Идеально подойдут для быстрого прототипирования компьютерного проекта.

Рис. 6. Конструкция, напечатанная из бумаги

Гипс. Модели, изготовленные из гипса, недолговечны, но имеют очень низкую себестоимость. Такие модели отлично подходят для изготовления предметов, предназначенных для всевозможных презентаций. Их можно показывать в качестве образца заказчикам и клиентам, они отлично передадут форму, структуру и размер оригинального изделия. Гипсовые модели отличаются очень высокой термостойкостью и поэтому их используют в качестве образцов для литья.

Рис. 7. Игрушки, напечатанные из гипса

Металлический порошок. Ни один пластик не сможет заменить металл с его приятным мягким блеском и высокой прочностью. Поэтому очень часто используется порошок из металлов: меди, алюминия, их сплавов, а также золота и серебра. Однако металлические модели не обладают достаточной химической стойкостью и имеют высокую теплопроводность, поэтому в металлический порошок для печати добавляют стекловолоконные и керамические вкрапления.

Рис. 8. Деталь из металлического порошка

Нейлон. Под этим термином чаще всего понимаются полигексаметилена- дипинамид (анид или нейлон-66), либо поли-ε-капроамид (капрон или нейлон-6). Химические формулы этих разновидностей нейлона показаны на рис. 9. С точки зрения печати основным различием является температура плавления: нейлон-6 плавится при температуре 220℃, а нейлон-66 при 265℃.

Рис. 9. Химическая формула нейлона (капрон - сверху, анид – снизу)

Наиболее популярным в трехмерной печати является нейлон-66. В кристаллических участках макромолекулы нейлонов имеют конформацию плоского зигзага с образованием с соседними молекулами водородных связей между атомами кислорода карбонила и атомами водорода соседних амидных групп. Вследствие этого нейлоны обладают лучшими по сравнению с полиэфирами и полиолефинами, физико-механическими свойствами: более высокими степенью кристалличности (40 - 60%) и температурами стеклования и плавления.

При повышении степени кристалличности нейлонов их прочностные характеристики улучшаются, такое повышение кристалличности происходит и при холодной вытяжке волокна на 500%, происходящая при этом ориентация макромолекул в направлении вытяжки ведет к повышению кристалличности и упрочнению волокна в 6 раз. Нейлон – это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АБС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.

Рис. 10. Изделия из нейлона

В промышленности нейлон применяется для изготовления втулок, вкладышей, пленок и тонких покрытий. Нейлон, нанесенный на трущиеся поверхности в виде облицовки или тонкослойного покрытия на тонкие металлические втулки, вкладыши и корпуса подшипников, повышает их эксплуатационные качества. Нейлон имеет низкий коэффициент трения и низкую температуру на трущихся поверхностях. Коэффициент трения у нейлона при работе по стали без смазки или при недостаточной смазке равен 0,17-0,20, с масляной смазкой – 0,014-0,020, с водой в качестве смазки - 0,02-0,05. Хорошие антифрикционные свойства позволяют применять нейлон в парах трения без смазки или при недостаточной смазке. Лучшим смазывающим материалом для композитов на основе нейлона являются минеральные масла. При температурах до 150℃ на нейлон не влияют минеральные масла, консистентные смазки. Он не растворяется в большинстве органических растворителей, не поддаётся воздействию слабых растворов кислот, щелочей и солёной воды.

Нейлоны при нагревании на воздухе подвергаются термоокислительной деструкции, ведущей к снижению прочностных характеристик: при выдерживании на воздухе при температурах 100-120℃ предел прочности на растяжение снижается в 5-10 раз. Деструкция ускоряется под воздействием ультрафиолетового излучения.

Поликапролактон (PCL). Биоразлагаемый полиэфир, синтезируемый из ε - капролактона (рис. 11). Главной отличительной чертой поликапролактона является низкая температура плавления 60℃. Благодаря этому материал идеально подходит для моделирования и быстрого прототипирования. Он разрешен для биомедицинского применения (само рассасывающиеся имплантаты и хирургические нити).

Рис. 11. Химическая формула поликапролактона

Нагревание поликапролактона до привычных экструзионных температур (около 200℃) вызывает потерю механических свойств и может привести к поломке экструдера.

Рис. 12. Поликапролактон PCL для принтера

Поликапролактон нетоксичен и биоразлагаем, что позволяет его использовать в медицинской отрасли. При попадании в организм поликапролактон распадается, что делает печать этим материалом безопасной. Благодаря низкой температуре плавления отсутствует опасность ожогов при прикосновении к свежим моделям. Высокая пластичность материала делает возможным многократное использование. Плотность поликапролактона составляет 1,15 г/см³.

Поликапролактон малопригоден для создания функциональных механических моделей ввиду вязкости и низкой теплостойкости. С другой стороны, этот материал прекрасно подходит для производства макетов и пищевой упаковки. Материал легко слипается с поверхностью даже холодного рабочего стола и легко поддается окраске.

Поликарбонат (PC). Это твёрдый пластик, который способен сохранять свои физические свойства в условиях экстремально высоких и низких температур. Обладает высокой светонепроницаемостью, имеет высокую температуру плавления, удобен для экструзионной обработки. Его сплав экологически не безвреден. Используется для печати сверхпрочных моделей в нескольких технологиях: SLS, LOM и FDM. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе бисфенола А (рис. 13). Это объясняется широкой доступностью бисфенола А, который может быть синтезирован конденсацией фенола и ацетона.

Рис. 13. Химическая формула поликарбоната, полученного на основе бисфенола А

Поликарбонаты интересны за счет своей высокой прочности и ударной вязкости, а также устойчивости к высоким и низким температурам. Стоит отметить потенциальный риск для здоровья при печати: в качестве сырья зачастую используется токсичное и канцерогенное соединение бисфенол А. Остаточный бисфенол А может содержаться в готовых изделиях из поликарбоната и испаряться при нагревании. Поэтому печать моделей из поликарбоната, как и из нейлона, рекомендуется проводить в хорошо вентилируемых помещениях.

Рис. 14. Поликарбонат

Температура экструзии поликарбоната зависит от скорости печати. Высокие скорости при низких температурах могут стать причиной растрескивания изделий. Минимальной температурой при скорости печати 30 мм/с можно считать 265℃. При печати рекомендуется использовать полиимидную пленку для лучшего схватывания с поверхностью рабочего стола. Высокая склонность поликарбоната к деформации требует использования подогреваемой платформы и, при возможности, закрытого корпуса с подогревом рабочей камеры. Поликарбонат обладает высокой гигроскопичностью, поэтому необходимо хранить материал в сухих условиях.

Полиэтилен. Термопластичный полимер этилена, относящийся к классу полиолефинов (рис. 15). В зависимости от способа получения различают полиэтилен высокого давления, или низкой плотности (ПЭВД), и полиэтилен низкого давления, или высокой плотности (ПЭНД). Они отличаются друг от друга структурой макромолекул, а, следовательно, и свойствами.

Рис. 15. Химическая формула полиэтилена

Полиэтилен легко плавится (130−145℃) и быстро застывает (при 100−120℃), вследствие чего наносимые слои зачастую не успевают схватываться. Полиэтилен отличается высокой усадкой, что провоцирует закрутку первых слоев и деформацию моделей в целом при неравномерном застывании. Печать полиэтиленом требует использования подогреваемой платформы и рабочей камеры с аккуратной регулировкой температурного режима для замедления остывания нанесенных слоев. Кроме того, потребуется проводить печать на высокой скорости.

Трудности в использовании компенсируются дешевизной и общедоступностью этого материала. При плавлении полиэтилена происходит эмиссия паров вредных веществ, поэтому рекомендуется проводить печать в хорошо вентилируемых помещениях.

Полилактид (PLA). Это самый биологически совместимый и экологически чистый материал для печати (рис. 16). Он изготавливается из остатков биомассы, силоса сахарной свёклы или кукурузы. У полилактида есть два недостатка:

Рис. 16. Химическая формула полилактида

У полилактида низкая температура плавления – всего 170−180℃, что способствует относительно низкому расходу электроэнергии и возможности использования недорогих сопел из латуни и алюминия. Температура плавления материала зависит от степени его кристалличности и может варьироваться в широких пределах. Как правило, экструзия проводится при 160−170℃. В то же время полилактид достаточно медленно застывает (температура стеклования составляет около 50℃). Оптимальным вариантом является устройство с корпусом открытого типа, подогреваемой рабочей платформой и, желательно, дополнительными вентиляторами для охлаждения свежих слоев модели.

Рис. 17. Фигурки из полилактида

Полилактид характеризуется низкой усадкой, т. е. потерей объема при охлаждении, что способствует предотвращению деформаций. Тем не менее, усадка имеет кумулятивный эффект при увеличении габаритов печатаемых моделей. В последнем случае может потребоваться подогрев рабочей платформы для равномерного охлаждения печатаемых объектов.

Полипропилен (ПП) – термопластичный полимер пропилена (рис. 18). ПП широко применяется в производстве упаковочных материалов, посуды, шприцов, труб, нетканых материалов и электроизоляции. ПП имеет низкую плотность, нетоксичен, обладает высокой химической стойкостью, устойчив к влаге и износу и достаточно дешев. К недостаткам полипропилена следует отметить низкую морозостойкость и уязвимость к воздействию солнечного света.

Рис. 18. Химическая формула полипропилена

Главной трудностью при печати пп является высокая усадка материала при охлаждении – до 2,4%. Для сравнения: усадка АБС-пластика составляет 0,8%. Несмотря на то, что пп хорошо прилипает к холодным поверхностям, рекомендуется проводить печать на подогреваемой платформе для предотвращения деформации моделей. Минимальная температура экструзии полипропилена составляет 220℃.

Полифенилсульфон. Высокопрочный термопластичный полимер (рис. 19), активно применяемый в авиационной промышленности. Он имеет отличную химическую и тепловую устойчивость и не горит. Полифенилсульфон биологически инертен, что позволяет использовать этот материал для производства посуды и пищевых контейнеров. Диапазон эксплуатационных температур полифенилсульфона составляет от - 50 до +180℃. Материал устойчив к воздействию растворителей и горюче-смазочных материалов. Плотность полифенилсульфона составляет 1,29 г/см³, предел текучести 76 МПа.

Рис. 19. Химическая формула полифенилсульфона

При всех своих достоинствах полифенилсульфон редко используют ввиду его высокой температуры плавления, достигающей 370℃. Такие температуры экструзии не под силу многим настольным принтерам.

Полиметилметакрилат (ПММА). Это синтетический виниловый полимер метилметакрилата (рис. 20), термопластичный прозрачный пластик, широко известный как оргстекло. ПММА прочен, влагоустойчив, безопасен для окружающей среды, легко поддается склеиванию, достаточно пластичен и устойчив к воздействию прямого солнечного света.

Рис. 20. Химическая формула полиметилметакрилата

ПММА плохо хранится в виде катушек с нитью, так как постоянное механическое напряжение приводит к постепенному разрушению материала. Чтобы избежать образования в печатном изделии пузырьков, разрешение печати должно быть очень высоким. Такое разрешение практически недоступно для домашних принтеров. Быстрое застывание пмма требует жесткого климатического контроля рабочей камеры и высокой скорости печати.

Полистирол. Относится к классу термопластичных полимеров (рис. 21), продукт полимеризации стирола (винилбензола). Полистирол обладает линейной структурой. Он широко используется в промышленности для производства различных бытовых изделий, строительных материалов, одноразовой посуды, игрушек, медицинских инструментов. При трехмерной печати физические свойства полистирола схожи с АБС-пластиком.

Рис. 21. Химическая формула полистирола

Наиболее привлекательной особенностью полистирола являются его специфические химические свойства: полистирол легко поддается растворению в органическом растворителе лимонене. Так как АБС-пластик в лимонене не растворяется, поэтому возможно использование полистирола в качестве материала для построения растворимых поддерживающих структур, что исключительно полезно при построении сложных, переплетенных моделей с внутренними опорами. В сравнении с водорастворимым поливиниловым спиртом полистирол выгодно отличается относительно низкой стоимостью и устойчивостью к влажному климату, затрудняющему работу с ПВС.

Экструзионная 3D-печать

Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF), или экструзии, было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х годов и получило коммерческое распространение в 1990 году силами компании Stratasys. В связи с истечением срока действия патента существует большое сообщество разработчиков 3D-принтеров с открытым исходным кодом, а также коммерческих организаций, использующих данную технологию. Как следствие стоимость устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения технологии.

Процесс печати методом послойного наплавления подразумевает создание слоев за счет экструзии быстро застывающего материала в виде микрокапель или тонких струй. Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением, привязанным к микроконтроллеру. Общая схема устройства 3D-принтера экструзивного типа представлена на рис. 22.

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.

Изделие производится выдавливанием и нанесением микрокапель расплавленного термопластичного полимера с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

Рис. 22. Схема устройства 3D-принтера экструзивного типа:

1 – корпус; 2 – закрепленные на нем направляющие; 3 – печатающая головка; 4 – шаговые двигатели;

5 – рабочий стол; 6 – управляющая электроника

Пластиковая нить разматывается с катушки и подается 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.

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). 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 технологии FDM, является декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z.

Как наиболее распространённый и коммерчески доступный способ трехмерной печати, метод послойного наплавления обладает самым широким спектром расходных материалов.

Технология послойного наплавления имеет определенные ограничения по сложности создаваемых геометрических форм. Например, создание навесных конструкций (таких, как сталактиты) невозможно само по себе ввиду отсутствия необходимой поддержки. Это ограничение компенсируется созданием временных опорных конструкций, удаляемых по завершении печати. Главным же достоинством данной технологии является ее доступность: чтобы собрать экструзионный 3D-принтер в домашних условиях потребуется вложить всего 30− 40 тысяч рублей.

Понравилась статья? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш канал YouTube. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых: чертежи, схемы и 3D-модели.