Генеративный дизайн и оптимизация топологии применительно к FDM 3D-печати

Скачать презентацию. 

Скачать приложение A-D. 

В настоящее время аддитивные технологии позиционируются как технологии, способные в значительной мере заменить традиционные подходы к изготовлению и ремонту машиностроительных деталей [1]. Накопленный опыт показывает, что использование технологий «трехмерной печати» (3D-печати) позволяет создавать изделия в кратчайшие сроки и с минимальными потерями материала.

В основе технологии трехмерной печати лежит создание и использование цифровой 3D-модели получаемого изделия. Эта модель может быть сформирована как в процессе ее проектирования с помощью соответствующего программного обеспечения, так и путем сканирования поврежденных комплектующих сборочных единиц машины (при помощи 3D-сканера) с последующей компьютерной обработкой полученных результатов. Наличие цифровой модели существенно увеличивает скорость и точность производства деталей.

Благодаря существующей в настоящее время практике широкого использования компьютерных сетей, при аддитивном производстве и восстановлении деталей разработчик их электронной копии может находиться на любом удалении от объекта (машины). Это позволяет качественно по другому подходить к организации аддитивного производства разноплановых изделий и открывает перспективы создания универсальных многофункциональных производственно-ремонтных комплексов на основе 3D-печати.

Для широкого внедрения аддитивных технологий в машиностроение необходимо накапливать опыт создания конкретных машиностроительных изделий и показывать эффективность такого подхода. Решению именно этой задачи посвящен инновационный метод разработки технологии изготовления методом 3D-печати  опорных роликов  гусеничного  движителя для вездеходов, которому посвящена данная работа.

1 Анализ использования метода 3D-печати для получения машиностроительных изделий

1.1 Анализ существующих сфер применения 3D-печати на российском рынке

Прототипы первых 3D-принтеров зарождались еще в 90-х годах прошлого века, но широкое коммерческое распространение получили только в начале 2010-х годов, когда производители поняли, что их можно использовать для мелкосерийного производства [2]. Примерно в то же время аддитивные технологии начали развиваться и в России. Первые отечественные компании начали разработку собственных 3D-принтеров. Более широкое распространение 3D-печать получила примерно 5 лет назад, тогда стали появляться компании, позволяющие распечатать нужную деталь без приобретения собственного 3D-принтера.

На данный момент 3D-печать в России набирает серьезные обороты. Давно не новшество, что 3D-печатью изготавливаются функциональные изделия, как способные нести на себе нагрузку, так и нет. Методом 3D-печати изготавливаются детали в авиации, ракетостроении, автомобилестроении, медицине, ювелирном деле, макетировании, дизайне и других.

3D-печать – очень гибкая технология. Пожалуй, в каждой сфере найдется место, куда можно было бы применить технологии 3D-печати. Существует более 200 различных технологий 3D-печати. В настоящее время, когда мы говорим о 3D-печати, нас в первую очередь интересует материал, из которого будет изготовлена деталь. В зависимости от свойств материала мы можем подобрать оптимальную технологию 3D-печати. Для каждой сферы применения имеются свои критерии, которым должны соответствовать детали, выполненные на 3D-принтере: точность, шероховатость, прочность, масса и т.д.

Для авиации и ракетостроения детали должны быть прочными, легкими, точными, обладать особыми свойствами, присущими данному объекту. В данных сферах обычно используются так называемые конструкционные пластики и металлы. Добавление различных элементов для пластиков позволяет улучшить свойства материала в необходимых условиях. Различные филаменты с поликарбонатом, смеси пластиков с другими материалами для 3D-печати, полиамиды, материалы PEEK, PEI, PPSF, PSU [3] способны работать в тяжелых условиях и удовлетворять требованиям авиации. Множество компаний используют 3D-печать для изготовления прототипов, деталей салона, обшивки самолета, инженерных сетей.

Нельзя не сказать об использовании 3D-печати металлом в авиации и ракетостроении. 3D-печать металлом позволяет добиваться особых свойств металлов благодаря принципу соединения разнородных металлических порошков. Данная технология, в отличие от литья, позволяет получить более сложную форму объекта без высоких материальных и трудозатрат. Кроме того, изделия, распечатанные на 3D-принтере металлом, не обладают пористостью, способной помешать качеству отливки.

Рисунок 1 – Кронштейн для компании S7

Рисунок 2 – Кронштейн для компании S7

Опыт использования 3D-печати в производстве российских автомобилей заключается в создании автомобилей Aurusпроекта «Кортеж», в которых были использованы технологии 3D-печати. Некоторые детали сначала печатались из пластика, затем по распечатанной мастер-модели литьем под давлением изготавливались рабочие детали оптимальной формы, которые превосходят по весовым характеристикам аналоги у других мировых компаний. Кроме того часть деталей изготавливалась методом 3D-печати металлом. На рисунке 3 изображен патрубок, изготовленный по технологии SLM.

Рисунок 3 – Патрубок в автомобиле Aurus, выполненный методом 3D-печати

Применение 3D-печати в медицине на данный момент развито достаточно широко, но за счет отсутствия сертификации на изделия, выполненные 3D-печатью, данная область не принимает еще более широкого распространения. Тем не менее на данный момент 3D-печать используется и в хирургии, и в протезировании, и в стоматологии, разрабатываются технологии, способные напечатать органы или части тела (рисунок 4).

Рисунок 4 – Модель позвоночника животного для проведения операции

Так, в 2017 году в России впервые была проведена хирургическая операция по пересадке костного имплантата, напечатанного на 3D-принтере. Группа врачей во главе с профессором Георгием Гафтоном три с половиной часа спасала пациента от раковой опухоли, возникшей в лонной кости [4]. Имплантат был выполнен компанией «Эндопринт», специализирующейся на изготовлении хирургических имплантатов методом 3D-печати (рисунок 5). В кость был установлен имплантат из титана, созданный на основе снимков МРТ и КТ.

Рисунок 5 – Пример изготовления имплантата методом 3D-печати

В России был изобретен корсет GS3, изготовлен он был методом 3D-печати (рисунок 6). Особенность корсета заключается в том, что с помощью гироскопов и акселераторов корсет подстраивается под движения человека, обеспечивая поддержку спины без дискомфорта.

Рисунок 6 – Корсет GS3, имеющий возможность индивидуальной подстройки

Стоматология – область, где 3D-печать обширно используется в создании вкладок, накладок, коронок, виниров, специальных кап и т.д. Материалы, используемые в 3D-печати для стоматологии, обладают высокой биосовместимостью, точностью и низкой шероховатостью поверхности. Кроме того, материал может быть подобран в соответствии с особыми требованиями, что позволяет улучшать качество обслуживания и долговечность используемых объектов (рисунок 7).

Рисунок 7 – Стоматологический элайнер, выполненный методом 3D-печати из материала NextDentOrthoClean

Одна из сторон, где еще может использоваться 3D-печать в медицине – это изготовление различных органов, частей тела, направляющих для тренировки врачей перед важной операцией. Случаи, когда по данным МРТ и КТ, изготавливается череп или кости человека или животного для практики хирурга, уже не редкость (рисунок 8) [5].

Рисунок 8 – Хирургический шаблон для проведения операции на кости животного, выполненный компанией «Роботмаш»

Помимо использования 3D-печати в сферах, важных для жизни людей и развития общества, технология используется в эстетических целях. Например, ювелиры давно применяют фотополимерную печать для создания особых украшений. Метод 3D-печати позволяет создать любую форму, изготовить форму для литья, а затем по ней создавать различные вещи (рисунок 9). Зачастую украшения могут создаваться и другим методом – спеканием порошка драгоценного металла. Такой метод минует создание формы и последующего литья и позволяет воплотить более сложные и невероятные формы.

Рисунок 9 — Ювелирное украшение, выполненное по модели, распечатанной на 3D-принтере

Создание коллекционных и подарочный монет – одна из сфер, смежных с ювелирным делом. По такому же принципу изготавливается мастер-модель, по ней форма для литья и отливается готовая монета.

Эстетическое применение 3D-печати на этом не заканчивается. Макетные мастерские по достоинству оценили технологию 3D-печати и активно используют её в своих проектах. Создание макетов домов, технических устройств (рисунок 10), ландшафтный дизайн, макеты государственных учреждений и транспортных узлов (рисунок 11) – всё это теперь изготовить проще и быстрее благодаря 3D-печати. К изделиям для макетов не предъявляется высокие критерии прочности, но в данной сфере важна точная прорисовка деталей. Поэтому объекты макетов изготавливаются как из пластика, так и из различных фотополимеров.

Рисунок 10 – Макет электрогенератора для визуализации концепта нового продукта, выполненный компанией «Роботмаш»

Рисунок 11 – Макет Махачкалинского порта, изготовленный компанией «Масштаб» совместно с «Роботмаш»

Дизайн – одна из крупнейших сфер применения 3D-печати. Сложилось мнение, что 3D-печать призвана только для изготовления нефункциональных и декоративных изделий, но как мы видим выше, это не так. Тем не менее дизайнерское применение технологии широко используется, и 3D-печать полюбилась многим компаниям, занимающимся различными декорациями. Выставочные стенды мероприятий, статуи высотой 1,5-2 метра (рисунок 12), статуэтки для награждения на конкурсы (рисунок 12), подарочные наборы специфической тематики и ограниченного тиража и много другое – то, где сейчас используется 3D-печать в дизайне.

Рисунок 12 – Статуя героя мультфильма высотой 2,5 метра (слева) и статуэтки награждения для кинофестиваля (справа)

1.2 Преимущества и недостатки 3D-печати при изготовлении машиностроительных изделий

Каждая технология изготовления обладает своими преимуществами и недостатками. То, насколько преимущества в определенных условиях берут верх над недостатками технологии, определяет её целесообразность и эффективность. Говоря о прямых преимуществах 3D-печати как технологии, можно выделить следующие: удешевление производства, облегчение массы изделия с сохранением характеристик, высокая скорость изготовления мелкой серии.

Как 3D-печать помогает удешевить производство: наличие 3D-принтера предполагает использование меньших производственных площадей, меньшую оснащенность производства оборудованием в сравнении с традиционными методами обработки. Зачастую 3D-принтеру требуется лишь комнатная температура воздуха, электроэнергия, минимальный набор инструментов для обслуживания и калибровки, не считая основных элементов в виде расходных материалов и дополнительных комплектующих. Для отдельных видов машин требуется дополнительное охлаждение или, наоборот, поддержание оптимальной температуры, специальные инструменты, более сложное техническое обслуживание в сравнении с персональными 3D-принтерами, например. Уменьшение стоимости производства происходит в основном за счет принципа аддитивности, благодаря которому расходуется намного меньше материала, нежели при традиционном производстве. Благодаря возможности получить любую форму без использования множества методов, 3D-печать популярна для изготовления нетиповых деталей или изделий. Кроме того, к ряду причин, способных снизить стоимость изготовления, можно отнести тот факт, что 3D-печать способна изготовить мелкую серию деталей без проектирования, например, формы для литья или создания специальной оснастки. Если в процессе проектировки была допущена ошибка или поменялись предпочтения или характеристики изготавливаемого изделия, то стоимость изготовления образца в 3D-печати значительно ниже иных видов производства.

Одним, не менее важным выше упомянутых преимуществ, является высокая скорость производства при 3D-печати. Сама 3D-печать, как может показаться на первый взгляд, — долгий процесс, заключающийся в прохождении соплом экструдера или лазером заданной траектории огромное количество раз. Но не стоит забывать о фактическом времени подготовки изделия к 3D-печати, времени оператора 3D-принтера на подготовку g-code, 3D-печать сложного изделия в один «установ» — все это положительно сказывается на времени изготовления детали. Естественно, для простых изделий или массового производства в случае в ТПА 3D-печать не дает преимущества во времени, но когда речь идет о сложных формах и мелкой серии, 3D-печать явный фаворит.

В основе 3D-печати лежит концепция получения любой формы изделия. При правильном обращении с этим инструментом и учете всех сопутствующих факторов можно четко выделить следующие преимущества:

  • Скорость изготовления
  • Производство за один установ
  • Минимизация рисков
  • Способность получения изделий сложной формы
  • Широкий спектр сфер применения
  • Доступность технологии

1.3 Анализ наиболее распространенных материалов для 3D-печати

3D-печать – это процесс формообразования изделия путем наложения материала. Технология 3D-печати подбирается в зависимости от выбранного материала и обусловлена химическим составом этого материала. Наиболее распространенными материалами в 3D-печати являются термопласты, фотополимерные (отверждаемые светом) смолы, полиамид и металлы.

На данный момент существует более 200 технологий 3D-печати, каждая технология обусловлена базовым материалом и наличием присадок или включений в качестве наполнения. Все технологии так или иначе сводятся к четырем базисным:

  • В случае с термопластами – послойное нанесение материала посредством экструдирования полимера через фильеру и скрепление последующего слоя с предыдущим посредством адгезии. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. На рисунке 13 показан частный случай 3D-печати термопластами – FDM-технология.

Рисунок 13– Частный случай FDM3D-печати

  • В случае с фотополимерными смолами – послойное отверждение жидкого фотополимера путем попадания на него фотонов. Считается наиболее оптимальным с точки зрения получения высокоточных изделий. На рисунке 14 представлена схема метода 3D-печати фотополимерами на примере SLA-технологии.

Рисунок 14 – Частный случай фотополимерной 3D-печати методом SLA

  • В случае с порошковой неметаллической печатью – выборочное спекание пучком лазера предварительно тонко-уложенных слоев материала. На рисунке 15 – схема 3D-печати неметаллическим порошком по технологии SLS.

Рисунок 15 – Частный случай SLS3D-печати

  • В случае с порошковой металлической печатью – выборочное плавление пучком лазера предварительно тонко-уложенных слоев металлического порошка. На рисунке 16 представлена схема металлической 3D-печати по технологии SLM.

Рисунок 16 – Частный случай SLM3D-печати

Характерной и ярко выраженной чертой деталей, распечатанных на 3D-принтере является фактура слоистости на поверхности изделия.

1.4 FDM-технология 3D-печати

В настоящее время для изготовления машиностроительных деталей чаще всего используют технологии 3D-печати металлами и в меньшей степени полиамид и фотополимер. Однако существует FDM-технология 3D-печати термопластами,  которая ранее не рассматривалась как способ изготовления машиностроительный деталей. В своей работе мы решили исследовать возможность применения данной технологии для получения машиностроительных изделий, поскольку она обладает рядом преимуществ.

Во-первых, FDM-технология наиболее распространена за счет относительно низкой стоимости  оборудования и расходных материалов.

Во-вторых это технология наиболее проста в настройке и сервисе 3D-принтеров. В данном случае мы рассматриваем эту технологию как прямого конкурента литью в ТПА при мелкосерийном производстве.

Рассмотрим технологию ближе. Сам по себе процесс представляет собой процесс создания объекта путем осаждения расплавленной нити в рабочей камере 3D-принтера. Технология трехмерной печати, при которой построение объекта идет за счет расплавления нити пластика, которая через экструдер подается на рабочую поверхность. Была разработана американской компанией Stratasys в 1988 году. На рисунке 17 представлена схема 3D-печати по технологии FDM.

Рисунок 17 – Принцип построения материала при FDM-технологии 3D-печати

FDM– самая доступная и распространенная технология 3D-печати в мире. По этой технологии работают как дешевые домашние и персональные 3D-принтеры, так и промышленные высокоточные машины. Как правило, по данной технологии изготавливаются относительно крупные изделия, которые должны обладать надежными механическими свойствами (прочность, износостойкость, гибкость). Основным преимуществом данной технологии является низкая стоимость расходных материалов. А сам расходный материал отлично подходит для после печатной обработки изделий. Изделия, полученные методом FDM3D-печати обычно одноцветные, прочные и упругие, обладают стабильным набором физических характеристик, которые зависят от типа материала. Они могут быть термостойкими, износоустойчивыми, обладать повышенной гибкостью или ударной вязкостью и т.д.

Точность построения моделей по технологии FDM во многом зависит от толщины печатного слоя и точности позиционирования экструдера относительно платформы. Эта величина может составлять от 0,02 до 1,2 мм. Поверхность готовых объектов ребристая (ступенчатая — в пределах 0,02 — 1,2 мм). Ребристость обусловлена тем, что расплавленная нить имеет округлую форму. Придать дополнительную гладкость поверхности можно с помощью пост-обработки.

Технология FDM (Моделирование методом послойного наплавления) подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.

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. В специальном ПО готовится управляющая программа для 3D-принтера.

Модель производится выдавливанием («экструзией») и нанесением расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. Как происходит экструзия материала, показано на рисунке 18.

Рисунок 18 – Принцип подачи пластика в экструдер

Пластиковая нить (филамент) разматывается с катушки и вводится в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки филамента и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит филамент и подает расплавленный материал на поверхность рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущий слой, соединяясь с ним. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.

Экструдер (также называемый «печатной головкой») перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно наносит нужный слой, после чего происходит вертикальное перемещение (чаще всего опусканием стола, но есть модели, в которых приподнимается экструдер) на толщину слоя и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет построена полностью.

FDM-принтеры в качестве материалов для печати используют термопластики, в виде тонких нитей, намотанных на катушки. Ассортимент пластиков весьма широк. Одними из самых популярных пластиков для печати являются PLA-пластик, ABS-пластик. PLA-пластик – это материал который изготавливается из кукурузы или сахарного тростника, что обуславливает его нетоксичность и экологичность, но делает его относительно недолговечным. ABS-пластик очень долговечен и износоустойчив, хотя и восприимчив к прямому солнечному свету и может выделять небольшие объемы вредных испарений при нагревании.

Кроме PLA и ABS возможна печать нейлоном, поликарбонатом, полиэтиленом и многими другими термопластиками, широко распространенными в современной промышленности. Возможно применение такого материала как поливиниловый спирт (PVA-пластик). Этот материал растворяется в воде, что делает его весьма полезным при печати моделей сложной геометрической формы.

Также возможно применение композитных материалов, имитирующих древесину, металлы, камень. Такие материалы используют все те же термопластики, но с примесями непластичных материалов. Так, Laywoo-D3 на 40% состоит из натуральной древесной пыли, что позволяет печатать «деревянные» изделия, включая мебель.

Материал под названием BronzeFill имеет наполнитель из настоящей бронзы, а изготовленные из него модели поддаются шлифовке и полировке, достигая высокой схожести с изделиями из чистой бронзы.

Связующим элементом в композитных материалах служат термопластики – именно они и определяют пороги прочности, термоустойчивости и другие физические и химические свойства готовых моделей.

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

К достоинствам FDM технологии можно отнести:

– простоту в эксплуатации, поэтому даже непрофессионалы могут легко справиться с печатью;

– в процессе моделирования создаются качественные детали с высокой детализацией сложных геометрических форм и полостей;

– достаточная дешевизна расходных материалов;

– большой ассортимент цветов и типов пластика.

К недостаткам данной технологии можно отнести:

– невысокую скорость работы (высокой скоростью работы не могут похвастать и другие технологии. Для построения крупных и сложных моделей требуются много времени);

– небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к более или менее заметной слоистости поверхности изготовленной модели;

– проблемы с фиксацией модели на рабочем столе (первый слой должен прилипнуть к поверхности платформы, но так, чтобы готовую модель можно было снять). Эту проблему решают разными способами: подогревом рабочего стола; нанесением на него различных покрытий;

– для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять. Даже с учетом этого некоторые модели попросту невозможно сделать на FDM-принтере за один цикл и приходится разбивать их на детали с последующим соединением склейкой или другим способом.

Таким образом, для очень многих образцов, изготовленных по технологии FDM, потребуется более или менее сложная финишная обработка, которую сложно или невозможно механизировать, поэтому в основном она производится вручную.

Есть и менее очевидные недостатки, например, зависимость прочности от направления, в котором прикладывается усилие. Так, можно сделать образец достаточно прочным на сжатие в направлении, перпендикулярном расположению слоев, но вот на скручивание он будет гораздо менее прочным: возможен разрыв по границе слоев.

Другой момент в той или иной мере присущ любой технологии, связанной с нагревом: это термоусадка, которая приводит к изменению размеров образца после остывания. Конечно, тут много зависит от свойств используемого материала, но порой нельзя примириться даже с изменениями в несколько десятых долей процента.

Технология может показаться безотходной только на первый взгляд. И речь не только о поддерживающих структурах в сложных моделях, немало пластика уходит в отходы даже у опытного оператора при подборе оптимального для конкретной модели режима печати.

Даже при таком количестве проблем эта технология сейчас очень популярна. Для этого есть ряд причин.

Главная и определяющая причина – цена как на сами принтеры, так и на расходные материалы к ним. Первым важным толчком в процессе продвижения FDM-принтеров «в массы» стало истечение в 2009 году срока действия патентов. Вследствие чего за пять лет цены на такие принтеры снизились более чем на порядок, а если рассмотреть крайности (самые дорогие до 2009 года и самые дешевые сегодня), то и на два порядка: цена на самые дешевые принтеры китайского производства сегодня составляет всего 300-400 долларов — правда, скорее всего покупатель в них моментально разочаруется. Более приличные принтеры начального уровня сейчас имеют цену уже ближе к $1200-1500.

Вторым немаловажным фактором стало появление проекта RepRap, или Replicating Rapid Prototyper – самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования. Самовоспроизведение касается изготовления на уже сделанном принтере частей для другого подобного принтера – конечно, не всех, а лишь тех, которые можно создать в рамках данной технологии, всё прочее приходится покупать. И оно не было самоцелью проекта: главной задачей стало создание максимально дешевых моделей принтеров, доступных даже частным энтузиастам, не обремененным излишком денег, но желающим попробовать свои силы в 3D-печати. Более того, самовоспроизводящимися (в сколь-нибудь заметной части всех деталей) были и есть далеко не все прототипы, созданные в рамках RepRap.

Конечно, создаваемые таким образом принтеры чаще всего далеки от совершенства даже в рамках технологии FDM, но они позволяют с минимальными финансовыми затратами создать вполне работоспособный аппарат. Нужно отметить: сегодня вовсе не обязательно искать обладателя принтера, чтобы напечатать возможные детали, и бегать по магазинам в поисках остального. Предлагаются полные наборы для самостоятельной сборки принтера, так называемые DIY kits (от «Do It Yourself» – сделай это сам), которые позволяют и заметно сэкономить, и избежать лишней беготни и хлопот, да к тому же содержат подробные инструкции по сборке. Но есть простор и для тех, кто не хочет замыкаться в рамки готовых конструкций и желает внести в них что-то свое: есть масса предложений по любым отдельным комплектующим для подобных принтеров.

Еще одна положительная сторона развития проекта RepRap — появление и совершенствование различного программного обеспечения для работы с подобными 3D-принтерами, причем распространяемого свободно. В этом немаловажное отличие от аппаратов, выпускаемых именитыми производителями, которые работают только с собственным ПО.

В принципе, проект не замыкается на технологии FDM, но пока именно она является наиболее доступной, равно как наиболее доступным материалом является пластиковая нить, которая и используется в подавляющем большинстве принтеров, создаваемых на базе разработок RepRap.

Широкое распространение FDM-принтеров привело к увеличению спроса на расходные материалы к ним; предложение не могло не последовать за спросом, и произошло то же самое, что и с самими принтерами: цены рухнули. Если на старых интернет-страницах, посвященных FDM-технологиям, встречаются упоминания цен на уровне 2-3 и даже более сотен евро за килограмм пластиковой нити. То сейчас повсеместно речь идет о десятках евро, и лишь на новые материалы с необычными свойствами цена может достигать сотни долларов или евро за килограмм. Правда, если раньше продавались в основном «фирменные» материалы, то теперь зачастую предлагается нить непонятного происхождения и неопределенного качества, но это неизбежно сопутствует популярности.

Помимо цены, у FDM-принтеров есть другие достоинства, связанные с возможностями технологии. Так, очень легко оснастить принтер второй печатающей головкой, которая может подавать нить из легко удаляемого материала для создания поддержек в сложных моделях. Внеся краситель при изготовлении пластиковой нити, можно получать различные, очень яркие цвета.

Технология FDM даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков.

Печать по технологии FDM выгодно отличается чистотой, простотой использования и пригодностью для применения в офисе. Детали из термопластика устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде.

Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами.

Для печати по технологии FDM используется два различных материала – первый (основной), из него будет состоять готовая деталь, и вспомогательный, который используется для поддержки. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой.

Когда 3D-принтер завершит создание детали, остаётся отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию.

Пластиковая нить может быть двух стандартных диаметров: 1,75 и 3 мм. Естественно, они не взаимозаменяемы, и выбор нужного диаметра следует уточнять по спецификации принтера. Поставляется пластик на катушках и измеряется не длиной, а весом. Для FDM-принтеров некоторых производителей (например, CubeX от 3D Systems) нужно покупать не катушки, а специальные картриджи с нитью, которые в пересчете на килограмм обходятся заметно дороже, но производитель гарантирует качество материала.

Для каждого типа материала должны быть известны рабочая температура, до которой должен нагреваться материал в печатающей головке, и температура подогрева рабочего стола (платформы) для лучшего прилипания первого слоя.

1.5 Выводы по главе

3D-печать по технологии FDMполучила широкое распространение на Российском рынке примерно 5 лет назад. За это время сложилось мнение о том, что изготовление изделий методом FDM3D-печати некачественно, долго и дорого. Формирование цены и времени изготовления свелись к формированию производственных площадок, работающих на базе аддитивных процессов, а понятие качества – это сугубо подбор режимов 3D-печати. Мы максимально подробно исследовали технологию FDMна момент пригодности использования ее в качестве выпуска готовой и функциональной продукции для различных отраслей, в том числе и для машиностроения.

2 Исследование взаимосвязи режимов FDM-печати с прочностными характеристиками модельного полимерного материала

2.1 Режимы 3D-печати

Аналогично любому методу обработки в альтернативных видах производства, в 3D-печати существуют основные режимы. От того, насколько правильно будут подобраны режимы, зависит качество получаемых изделий. Не секрет, что каждая модель 3D-принтера обладает своими особенностями, благодаря чему нельзя однозначно сказать, какой режим подойдет для печати необходимого изделия. Кроме того, зачастую расходные материалы разных производителей обладают различными свойствами, даже цвет, в который окрашен полимер, влияет на конечный результат. Формирование объекта методом FDM-печати показано на рисунке 19.

Рисунок 19 – Формирование объекта с помощью FDM-технологии 3D-печати

Рассмотрим основные режимы 3D-печати: температура, скорость, толщина слоя, программные настройки принтера.

В работе 3D-принтера возникает необходимость в настройке разных температур. Один из показателей – температура первого слоя. Первый слой является одним их самых ответственных моментов в 3D-печати изделия, так как от того, насколько качественно, ровно и с соблюдением необходимой геометрии ляжет пластик на стол 3D-принтера, во многом зависит дальнейшая печать детали. Как правило, температура первого слоя не отличается существенно от температуры экструзии и колеблется в пределах, больших на 0-10 градусов выше последнего. Температура экструзии подбирается в соответствии с используемым материалом. Рекомендуемая температура печати указывается на упаковке полимера. Важно соблюдать данные производителем характеристики во избежание дефектов 3D-печати, вызванных неправильно выбранной температурой. К числу таких дефектов можно отнести недостаточную экструзию или перегрев пластика. Оптимальная температура экструзии зависит от типа используемого полимера. Для числа наиболее распространенных материалов и FDM-принтеров рекомендуемые диапазоны температуры экструдера варьируются в пределах 200-245 градусов Цельсия. Третий температурный параметр, влияющий на качество 3D-печати – температура стола 3D-принтера. Аналогично вреду, который приносит перегрев пластика, вредно и излишне быстрое охлаждение слоёв материала. Во избежание деформации модели в процессе 3D-печати используется подогрев стола принтера. Температуры, до которой нагревается стол 3D-принтера, обычно варьируются в пределах 50-110 градусов Цельсия.

Толщина слоя или высота слоя – параметр, выбираемый заранее в программном обеспечении для подготовки моделей к 3D-печати. С тактильной точки зрения от высоты слоя зависит то, насколько деталь будет гладкой на ощупь. Но толщина слоя способна влиять на множество свойств распечатанного изделия, в числе которых прочность полимерного материала. Явление изменения прочности возникает вследствие изменения межслоевой адгезии при выборе высоты слоя. Как правило, толщина слоя современных FDM-принтеров варьируется в диапазоне 0,02-1,2 мм. На рисунках 20 и 21 представлены разные величины толщины слоя.

Рисунок 20 – Толщина слоя при значениях 0,2 мм, 0,4 мм, 0,6 мм (слева направо)

Рисунок 21 – Зависимость точности бокового отверстия от выбранной высоты слоя

Диаметр сопла – диаметр наименьшего отверстия в сопле 3D-принтера, через которое экструдируется расходный материал. От выбора этого параметра зависит насколько точно 3D-принтер будет заходить в углы модели и насколько качественно будет прорисован рельеф детали. Однако стоит понимать, что если сопло будет совсем тонким, то вырастает риск его засорения и увеличивается время 3D-печати, поскольку через тонкое сопло можно продавить меньшее количество расходного материала, чем через толстое. В дополнении к этому стоит отметить, что чем больше диаметр сопла, тем выше диапазон выбора другого немаловажного параметра как «высота слоя». Поэтому выбор данного параметра очень важен, требует постоянного подбора, мониторинга и корректировки.

Температура сопла – температура до которой нагревается сопло для того, чтобы иметь возможность экструдировать термопласт при других выбранных режимах (скорость печати, скорость подачи, скорость ретракта, величина ретракта)

Коэффициент подачи – коэффициент, корректирующий подачу расходного материала для максимального заполнения ширины фактической экструзии. В процессе 3D-печати по технологии FDMприсутствует закономерность сохранения объемов. Пластик не сгорает, не испаряется, а в том же количестве, что попал в сопло, экструдируется. Однако, в некоторых случаях машина начинает «недодавливать» или «передавливать». Такие случаи называются «недоэкструзия» или «переэкструзия». Причин этому может быть очень много: частичное засорение сопла, неправильная калибровка шаговых двигателей и т.п. Для правильно работы 3D-принтера данный параметр должен быть откалиброван. В процессе печати можно корректировать данный параметр для достижения каких-либо специфичных требований.

Обдув – параметр, характеризующий интенсивность работы вентилятора, направленного в зону экструзии. Во время 3D-печати выдавленный пластик должен затвердеть, чем быстрее, тем лучше, потому что слой не успеет никуда «уплыть». Однако, для некоторых материалов большой обдув опасен, потому что чрезмерно будет охлаждать материал и может произойти деламинация слоев или отлипание детали от платформы. Параметр устанавливается в зависимости от расходного материала.

Температура стола – температура до которой нагревается платформа 3D-принтера во время 3D-печати. Необходима для лучшей адгезии первого слоя, работе специального адгезива, наносимого на платформу. Способствует нагреву и поддержанию температуры в камере 3D-принтера.

Ретракт – откат пластика при перемещении экструдера без подачи материала, например, на новый периметр. Если выключить эту функцию, то при перемещении материал начнет вытекать и потянет за собой нитку, что повлечет за собой негативные последствия с точки зрения качества. За ретракт отвечают два параметра: скорость отката и величина отката. При неправильной настройке данных параметров пластик может просто перерубаться или выливаться из сопла. Настраивается в зависимости от материала и ускорения перемещения экструдера.

Заполнение – плотность внутреннего пространства Вашей детали при трехмерной печати. Отношение заполненного пространства ко всему внутреннему объему детали [6]. Принцип действия заполнения в 3D-печати отчетливо показан на рисунке 22.

Рисунок 22 – Различный процент заполнения при одинаковой толщине стенки

Скорость печати – скорость перемещения экструдера в процессе выдавливания пластика. Не менее важным параметром для обеспечения качества печатаемой модели является скорость печати. Наглядным примером влияния скорости печати на качество изготавливаемого объекта можно представить рисунок 23.

Рисунок 23 – Влияние скорости 3D-печати на качество поверхности

На иллюстрации видно, что излишне высокая скорость 3D-печати делает поверхность непригодной для использования (40 мм/с и 50 мм/с), тогда как слишком низкая скорость печати не обеспечивает необходимую производительность. При низких скоростях печати качество приемлемое, но это может негативно повлиять на межслоевую адгезию (нижние слои будут остывать, пока экструдер дойдет до прохождения контура повторно). Оптимальной скоростью согласно рисунку 1 для данной величины высоты слоя является 30 мм/с. Стоит отметить, что данные оптимальные значения скорости печати подходят лишь для определенной толщины слоя материала.

Скорость перемещения – скорость перемещения экструдера в момент, когда отключена подача материала, например при перекатывании на новый периметр. Задается дополнительно с ускорением перемещения. Чем резче будет начало перемещения, чем лучше этот факт скажется на обрыве нитки вытекающего термопласта. Однако совсем резкий старт может привести к смещению ремня, который обеспечивает движение экструдера. Этот параметр очень сильно может ускорить процесс 3D-печати, но нужно точно понимать возможности и состояние машины, чтобы работать с данным параметром на максимуме.

Опускание стола при перемещении – необходимо для того, чтобы экструдер при перемещении не задевал напечатанную часть объекта.

Траектория – программируется в специальном ПО, где задаются все вышеперечисленные и дополнительные параметры печати. На рисунке 24 изображен пример нанесения материала по разным траекториям.

Рисунок 24 – Нанесение слоев материала по разным траекториям

2.2 Влияние режимов 3D-печати на прочностные характеристики АБС-пластика. Поиск оптимальных значений

Материал, получаемый FDM-печатью, может иметь разную структуру, но она обязательно будет состоять из совокупности объёмов с однонаправленно уложенными нитями. Это определяется технологическими особенностями реализации FDM-печати. Следовательно, для того, чтобы определиться с прочностными свойствами материала, получаемого FDM-печатью, нужно, в первую очередь, исследовать прочность модельного материала с однонаправленно уложенными нитями. Для того, чтобы оценить прочностные характеристики материала и анизотропию свойств, испытания необходимо провести вдоль и поперёк направления укладки нитей, а так же провести испытания самих нитей для сравнения с данными производителя [7].

Для испытания нитей, полученных экструзией через сопло экструдера 3D-принтера, в качестве исходного материала использовалась нить диаметром 1,75 мм из акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) марки РА-707 тайваньской компании POLYLAC CHI MEI CORPORATION. Для экструзии  экспериментальной нити использовалась та же катушка, что и для изготовления образцов модельного материала [8]. Экструзия нити осуществлялась через рабочее сопло 3Д-принтера, имеющее  диаметр 0,4 мм. Скорость нагружения  образцов составляла 10 мм/мин. На рисунке 25 представлен эскиз образцов для испытания экструдированных нитей.

Рисунок 25 – Вид образца для испытания экструдированных нитей

Диаграмма нагружения экструдированной нити имеет следующий вид (рисунок 26), схожий с диаграммой нагружения образцов вдоль укладки нитей.

Рисунок 26 – Диаграмма нагружения образцов экструдированной нити

Результаты испытаний показали, что средняя прочность экструдированной нити (47,8 МПа) близка к паспортным данным на материал (48,8 МПа), но значения по прочности нити  имеют большой разброс — от 38,8 до 90,5 Мпа (таблица 1). Среднее относительное удлинение нитей на пределе текучести (27,5%) близко к паспортным данным на материал (20%). Однако ряд нитей разрушается практически хрупко, а у других относительное удлинение приближается к 100%. Разброс прочностных и деформационных характеристик экструдированных нитей может приводить к разбросу прочности материала формируемого FDM-печатью.

Таблица 1 – Результаты испытания нитей, полученных экструзией через сопло рабочей головки 3D-принтера


п/п
d0 d* S0 S* Рmax Р*p σ*p σпц l* Δl ε
/мм/ /мм/ /мм2/ /мм2/ /Н/ /Н/ [МПа] [МПа] /мм/ /мм/ /%/
1 0,46 0,46 0,166 0,166 6,909 6,37 38,33 41,57 15,9 0,9 6,00%
2 0,47 0,29 0,173 0,066 7,889 5,98 90,53 45,47 29,2 14,2 94,67%
3 0,46 0,44 0,166 0,152 6,811 5,98 39,33 40,98 18,5 3,5 23,33%
4 0,45 0,44 0,159 0,152 6,703 6,17 40,58 42,15 16,9 1,9 12,67%
5 0,47 0,46 0,173 0,166 7,350 6,47 38,93 42,36 16,7 1,7 11,33%
6 0,45 0,35 0,159 0,096 7,056 5,49 57,06 44,37 21,1 6,1 40,67%
7 0,45 0,45 0,159 0,159 6,174 6,17 38,79 38,82 15,1 0,1 0,67%
8 0,44 0,43 0,152 0,142 6,272 5,88 41,45 41,25 15,7 0,7 4,67%
9 0,44 0,36 0,152 0,102 6,664 5,49 53,94 43,83 25,2 10,2 68,00%
10 0,46 0,45 0,166 0,156 7,301 6,08 39,09 43,93 16,9 1,9 12,67%

 

Форма и размеры образцов для испытаний на растяжение принимались в соответствии с ГОСТ 11262-2017 Пластмассы. Метод испытания на растяжение. Для проведения исследований выбран образец второго типа (рисунок 27) [9].

Рисунок 27 — Эскиз образца для проведения испытаний на растяжение

3D-модель образцов для испытаний была создана в САПРAutodeskInventorна основе чертежа, затем переведена в формат .stl, пригодный для 3D-печати (рисунок 28).

Рисунок 28 – 3D-модель образца для испытания по ГОСТ11262-80 тип 2

3D-печать позволяет сразу изготавливать образцы для проведения испытаний на прочность при растяжении, минуя этапы получения первичной заготовки и последующей вырезки из неё образцов. Порядок укладки нити (G-код) готовился в программе Simplify3Dверсии 4.0 по ГОСТ 20999-83 «Устройства числового программного управления для металлообрабатывающего оборудования. Кодирование информации управляющих программ» с учетом расположения нитей в рабочей части образца вдоль или поперек направления растяжения. На рисунках 29 и 30 – различие в расположении модели на столе 3D-принтера.

Рисунок 29 – Скриншот программы Simplify3Dс расположением нитей в рабочей части образца поперек направления растяжения

Рисунок 30 — Скриншот программы Simplify3Dс расположением нитей в рабочей части образца вдоль направления растяжения

3D-печать производилась с использованием мононити из пластика ABS+ производителя СтримПласт, поставляемой по Техническим условиям — ТУ 2291-001-24687042-2016. В соответствии с этими техническими условиями мононить должна обладать прочностью при растяжении не менее 48 Мпа и печать должна осуществляться в интервале температур 220-2500С.FDM-печать осуществлялась на 3D-принтере PicasoXProс диаметром сопла экструдера 0,4 мм. Перед печатью для улучшения адгезии материала стол покрывался специальным связующим марки The3D. Температура стола составляла 1100С, а температура сопла экструдера — 2400С.

Печать осуществлялась по трём режимам:

Режим 1: при скорости движения сопла экструдера Vс=30 мм/сек и толщине укладываемого слоя нити hсл=100 мкм;

Режим 2: при скорости движения сопла экструдера Vс=45 мм/сек и толщине укладываемого слоя нити hсл=150 мкм;

Режим 3: при скорости движения сопла экструдера Vс=60 мм/сек и толщине укладываемого слоя нити hсл=200 мкм;

Полученные образцы испытывались на растяжение при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, соответствующей 1±0,5 мм/сек (минимальная скорость раздвижения зажимов испытательной машины, предусмотренная ГОСТ 11262-80).

Экспериментальные данные по результатам испытания материала, полученного FDM-печатью с использованием АБС-пластика, вдоль и поперёк укладки нитей представлены на рисунке 31.

Рисунок 31 — Зависимость прочности на растяжение σр модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей, полученного при разных режимах 3D-печати

Из представленных данных видно, что прочность на растяжение материала, полученного по всем трём режимам 3D-печати в направлении укладки нитей близка по своим значениям и находится на уровне 30-44 МПа. Если использовать данные производителя по прочности используемой при FDM-печати мононити (48,8 МПа), то эти значения примерно на 31% ниже. Однако для проведения более корректного сравнения уровней прочности этих двух материалов необходимо уточнить, насколько условия испытания мононитей совпадают с условиями их нагружения в модельном материале.

Прочность модельного материала поперёк укладки нитей существенно ниже и сильнее зависит от режимов FDM-печати (рисунок 31). Скорость движения сопла экструдера в совокупности с толщиной укладываемого слоя влияют на прочность сцепления нитей [10]. Связано это с распространением тепла от сопла в материал. При большой скорости печати в любой момент времени в конкретной точке пластику передается меньше тепла, нежели при малой скорости. Если производить печать малого слоя на низкой скорости, то тепла может отдаваться слишком много. Это увеличит адгезию, но возникнет вероятность образования дефектов в виде наплывов пластика. И наоборот: если производится 3D-печать с большей толщиной слоя на высокой скорости, тепла может быть недостаточно для образования хорошей адгезии между нитями.

Высказанное предположение подтверждается полученными экспериментальными данными (рисунок 31). На режиме 1 (минимальная скорость печати и толщина, укладываемого слоя) прочность модельного материала поперёк укладки нитей минимальна и составляет 7-15 МПа (72% от прочности материала вдоль укладки нитей), на режиме 2 – 10-16 МПа (66% от прочности материала вдоль укладки нитей) и на режиме 3 – 26-31 МПа (16% от прочности материала вдоль укладки нитей).

Образцы модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей имеют разный вид диаграммы растяжения и поверхности разрушения (рисунок 32).

Рисунок 32 – Виды диаграмм растяжения образцов с поперечной (слева) и продольной (справа) укладкой нитей

 

Если диаграмма растяжения образцов с поперечной укладкой нитей имеет характерный вид для хрупкого разрушения, то на диаграмме растяжения образцов с продольной укладкой волокон после небольшого снижения усилия растяжения, после достижения максимума, наблюдается постепенное его падение до момента разрушения образца.

Образцы с поперечной укладкой волокон имеют абсолютно плоскую поверхность разрушения (рисунок 33), а у образцов с продольной укладкой волокон (рисунок 34) наблюдается развитая поверхность разрушения.

Рисунок 33 – Поверхность разрушения поперек укладки нитей

Рисунок 34 – Поверхность разрушения вдоль укладки нитей

При исследовании этих изломов на оптическом микроскопе видно, что разрушение материала с поперечной укладкой волокон происходит в одной плоскости (рисунок 35) по поверхности уложенных нитей. Излом модельного материала с продольной укладкой волокон (рисунок 36) имеет развитый характер. Разрушение идет в разных плоскостях и на изломе наблюдаются какучастки накопления повреждений, так и плоские зоны, характерные для магистрального распространения трещин.

Рисунок 35 – Излом образца с поперечной укладкой нитей под микроскопом

Рисунок 36 – Излом образца с продольной укладкой нитей под микроскопом

2.3 Вывод по главе

Опираясь на полученные данные, можно сделать промежуточные выводы о прочности модельного материала, полученного FDM-печатью с использованием ABS-пластика:

— максимальные значения прочности материала образцов при испытании вдоль укладки нитей близки к прочности единичных нитей, полученных экструзией пластика из рабочего сопла 3D-принтера;

-cувеличением скорости движения сопла экструдера и толщины укладываемого слоя полимера прочность материала образцов при испытании вдоль укладки нитей снижается на 16% (с 41 МПа до 34 МПа);

— наибольший разброс прочностных свойств материала образцов при испытании вдоль укладки нитей наблюдается при скорости движения сопла экструдера  равном 45 мм/сек и толщине укладываемого слоя нити равной 150 мкм;

— с увеличением скорости движения сопла экструдера и толщины укладываемого слоя полимера прочность материала образцов при испытании поперёк укладки нитей увеличивается почти в три раза (с 10 МПа до 29,6 МПа);

— образцы модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей имеют разный характер и вид поверхности разрушения. Разный вид диаграмм растяжения и поверхностей разрушения образцов с поперечной и продольной укладкой нитей говорит о различии механизмов, протекающих в материале при его нагружении;

— при поперечной укладке наблюдается абсолютно плоская поверхность разрушения по стыку наплавленных нитей, и, следовательно, величина адгезии между ними является важнейшим фактором, влияющим на значение прочности.

— при продольной укладке излом материала имеет развитый характер как с участками накопления повреждений, так и с зонами магистрального распространения трещин.

— материал с продольной укладкой нитей при дальнейших исследованиях целесообразно рассмотреть как пучок связанных волокон, что может позволить раскрыть механизмы разрушения подобного материала.

— наиболее удачным для нас оказался режим под номером 3, поскольку высокая скорость печати позволяет добиться хорошей производительности, при этом прочность сопоставима с другими режимами печати.

3 Практическая реализация полученных результатов исследований на примере изготовления поддерживающих роликов гусеничного движителя

3.1 Разработка технологии изготовления поддерживающих роликов гусеничного механизма из АБС-пластика

Анализируя предыдущие главы настоящей записки, можно понять, что 3D-печать уже давно используется в машиностроительном производстве для изготовлениядеталей. Мы испытали образцы, созданные методом 3D-печати. Результат показал, что такие детали по прочности сравнимы с литыми пластиковыми деталями. Суммируя то, что 3D-печатью возможно изготовить изделия ограниченной номенклатуры и прочностные характеристики материала, полученного методом FDM-печати, можно утверждать, что 3D-печать пригодна для изготовления деталей машиностроения. Для подтверждения или опровержения теории мы взяли за основу одну из реальных задач – проектирование поддерживающего ролика для гусеничного механизма. Нашей задачей являлось создание технологической карты изготовления поддерживающего ролика методом аддитивных процессов со всеми их преимуществами. В качестве исходных данных нам был предоставлен существующий ролик, который изготавливается альтернативными видами производства из металла. Для реализации данного проекта было исследовано большое количество технологических процессов и составлен план реализации проекта: 3D-сканирование, обратное проектирование, генеративный дизайн, оптимизация топологии, анализ напряжений и 3D-печать.

3.2 Изготовление роликов, поддерживающих гусеничный трак
3.2.1 3D-сканирование

3D-сканирование – способ получения данных о форме и размерах объекта в пространственном представлении путем записи х, у и z координат точек поверхности объекта и преобразования набора точек в электронную геометрическую модель при помощи специализированного программного обеспечения [12].

Для создания трехмерной модели и снятия фактических размеров первоначального ролика мы воспользовались сканером RangeVision Spectrum. При размерах ролика погрешность измерения составила не более 0,17 мм. Ниже представлены облако точек, снятое 3D-сканером (рисунок 36) и предварительно обработанная модель со сшитыми сканами (рисунок 37).

Рисунок 36 — Облако точек после 3D-сканирования

Рисунок 37 — Предварительно сшитая 3D-модель после 3D-сканирования

3.2.2 Реверс-инжиниринг

Процесс реверс-инжиниринга заключается в последовательной «обтяжке» облака точек и полигональной трехмерной модели поверхностями, задаваемыми формулами, в результате которой появляется твердотельная 3D-модель.

Для процесса обратного проектирования нами использовалось программное обеспечение AutoDeskInventorи Fusion360. На рисунке 38 и 39 ниже представлены скриншоты программы с полученной 3D-моделью ролика.

Рисунок 38 — Результат реверс-инжиниринга

Рисунок 39 — Твердотельная модель ролика в формате .stp

Ниже так же представлен чертеж исходного поддерживающего ролика по полученной 3D-модели (рисунок 40).

Рисунок 40 — Чертеж исходного ролика

3.2.3 Генеративный дизайн

Для снижения массы детали в сфере 3D-печати используется генеративный дизайн – это подход к проектированию изделий, заключающийся во внесении изменений в конструкцию или деталь, с заменой сплошного материала на повторяющиеся в объеме простейшие элементы любой формы, с целью снижения массы изделия при условии сохранения предоставляемых к нему прочностных требований [11].

Идея генеративного дизайна заключается в удалении лишнего материала в условиях конкретного нагружения, так как 3D-печать дает возможность изготовить изделия практически любой формы. Применение 3D-печати делает генеративный дизайн оправданным и возможным, так как получить заданную форму возможно только таким методом.

Генеративный дизайн проводился с помощью программы AltairOptiStruct, в программу были заложены условия эксплуатации детали.

Условия эксплуатации роликов:

Скорость движения трака без проскальзывания 15 м/с
Нагрузка на ролик 42 кг
Материал ролика

ABS СтримПласт

 

На рисунках ниже представлены вариации создания генеративного дизайна изделия (рисунок 41)

Рисунок 41 — Пример генеративного дизайна различных вариаций

Для 3D-модели поддерживающего ролика, полученной с помощью реверс-инжиниринга, был проведен генеративный дизайн с целью изменения структуры для уменьшения массы ролика. Результат представлен на рисунке 42, разрез модели, полученной в автоматическом режиме – на рисунке 43.

Рисунок 42 — Результат подбора генеративного дизайна поддерживающего ролика в автоматическом режиме

Рисунок 43 — Сечение 3D-модели ролика генеративного дизайна

3.2.4 Оптимизация топологии поверхности и ячеистой структуры

Программа создала 3D-модель в соответствии с предоставленными данными, но позже оказалось, что полученная модель не подходит для FDM-печати в виду неоптимальной формы. Тогда модель после генеративного дизайна изменяется вручную. Такие изменения называются оптимизацией топологии – это процесс при проектировании изделий, заключающийся во внесении изменений в конструкцию или деталь с созданием новых границ объема тела и удалением существующих, с целью ее оптимизации по критериям минимизации массы, максимальной жесткости и спектру собственных частот, при сохранении предоставляемых к нему прочностных требований. [11] Пример оптимизации топологии представлен на рисунке 44. Как правило, это происходит в CAD-системе AutoCAD Inventor: специалист корректирует необходимые части 3D-модели и отправляет для дальнейшей обработки.

Рисунок 44 — Пример оптимизации топологии после генеративного дизайна

Поддерживающий ролик так же был подвергнут оптимизации топологии в ручном режиме (рисунок 45), и был получен чертеж оптимизированной модели (рисунок 46).

Рисунок 45 — Поддерживающий ролик после оптимизации топологии

Рисунок 46 — Чертеж ролика после оптимизации топологии
Вместе с генеративным дизайном характерна подготовка внутренней структуры материала. Внутренняя структура может быть задана в виде сот, решетки или особой структуры (рисунок 47). Для задания внутренней структуры пустот поддерживающих роликов была использована программа Ansys Mechanical.

Рисунок 47 — Пример ячеистых структур при оптимизации топологии

При формировании ячеистой структуры программа рекомендовала использовать толщину стенки 2 мм, а внутри заложить ячеистую структуру, удобную с точки зрения порошковой 3D-печати, но не удобную для осуществления 3D-печати по технологии FDM. Было принято решение сформировать структуру пустот внутри детали непосредственно в ПО по подготовке управляющей программы для 3D-принтера с аналогичными данными, полученными из программы Ansys Mechanical (рисунок 48).

Рисунок 48 — Ячеистая структура, заданная вручную в ПО Simplify3D

3.2.5 Анализ напряжений

На основании итоговой трехмерной модели был произведен анализ напряжений в программе AutoDeskInventor. Отчеты по анализу представлены в приложении А, в приложении В, в приложении С, в приложении D. В качестве исходных данных программа не учитывала колебания, трение и температурные факторы, поэтому требовался большой коэффициент запаса, чтобы учесть все возможные факторы. Анализируя данные мы можем увидеть, что минимальный мгновенный коэффициент запаса 7,42. При этом ролик весит 296 грамм, что почти в два раза меньше, чем если бы мы печатали ролик не оптимизируя топологию поверхности и не применяли технологии генеративного дизайна.

3.2.6 Изготовление опытной партии

Получив итоговую модель, подходящую по всем критериям, можно готовить управляющую программу для 3D-принтера. Управляющие программы могут быть как в комплекте программного обеспечения 3D-принтера, так и отдельно приобретенные для более подробного указания настроек печати. В данном случае G-codeготовился в программе Simplify3D. Печать производилась на 3D-принтерах PicasoDesignerXPro. Диаметр сопла был 0.4 мм, высота слоя 0,2 мм, скорость печати 60 мм/сек. После 3D-печати ролики (рисунок 49) были установлены и испытывались на весь период эксплуатации в 3 месяца. После успешных испытаний была реализована партия изделий (рисунок 50).

Рисунок 49 – Готовые ролики для проведения испытаний на машинах

Рисунок 50 – Часть партии готовых поддерживающих роликов

3.3 Выводы по главе

Была создана технологическая карта изготовления готового функционального изделия методом аддитивного производства по технологии FDMс применением методов генеративного дизайна и оптимизации топологии. На практике проверена возможность реализации полученных результатов исследований на примере изготовления поддерживающих роликов гусеничного движителя. Была изготовлена опытная партия роликов, предназначенных для эксплуатации в течение условленного срока 3 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опираясь на вышеизложенное, мы приходим к выводу, что 3D-печать — технология, широко применимая в различных областях, в том числе и в машиностроении. Нами было сделано предположение и показана  возможность использования технологии FDM3D-печати для изготовления функциональных машиностроительных изделий.

Были проведены исследования прочности модельного материала, формируемого методом 3D-печати и сопоставлены с техническими условиями, предоставляемыми производителями расходных материалов.

Применив подход к упрочнению через генеративный дизайн и оптимизацию топологии, нам удалось существенно снизить массу изделия, сохранив требуемые механические характеристики в тех условиях нагрузки, которые требовались в техническом задании заказчика.

Были подтверждены все расчетные данные исследования на практике.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. Санкт-Петербург: Издательство политехнического университета, 2013. 222 с.
  2. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы). Учебное пособие. Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2015. 63 с.
  3. Шкуро А.Е., Кривоногов П.С. Технологии и материалы 3Д-печати. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т. 2017. 98 с.
  4. Сергеев А.Н. 3D принтеры в медицине — область применения и перспективы развития печати [Электронный ресурс] // Научно-популярный журнал. 2017. 25 апреля. URL: https://www.sciencedebatecom/3d-printery-v-meditsine-oblast-primeneniya-i-perspektivy-razvitiya-pechati/#2 (дата обращения: 24.03.2019)
  5. Камоничкин Д.Т. 3Д-печать хирургических шаблонов [Электронный ресурс] // Сайт центра аддитивного производства. 2018. 15 марта. URL: https://robotmash.ru/portfolio/3d-pechat-hirurgicheskih-shablonov/ (дата обращения: 30.04.2019)
  6. Камоничкин Д.Т. Процент заполнения в 3D-печати [Электронный ресурс] // Сайт центра аддитивного производства. 2017. 04 февраля. URL: https://www.st3d.ru/5-zapolnenie/(дата обращения: 05.02.2018)
  7. Камоничкина Н.В., Кочешков И.В. Исследование прочностных характеристик модельного материала, получаемого методом FDM-печати // Аддитивные технологии. N 3. С. 39-43.
  8. Нарисава И.Прочность полимерных материалов.  М.: Химия.  400 с.
  9. ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012) Пластмассы. Метод испытания на растяжение
  10. Петров В.М., Беспальчук С.Н., Яковлев С.П. О влиянии структуры на прочность изделий из пластиков, получаемых методом 3Д-печати // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2017. N 4. С. 765-776.
  11. ГОСТ Р 57911-2017 Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов. Термины и определения
  12. ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения

Скачать презентацию. 

Скачать приложение A-D. 

Вам также может понравиться

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *