МД (Методология создания твердотельных моделей с использованием технологий аддитивного производства), страница 8

Технология EBFȝ нацелена на аддитивное производство комплексных моделей спониженным по сравнению с традиционными методами расходом материалов ипрактическим отсутствием необходимости механической обработки [18]. Разработка технологии ведется на протяжении более чем десятилетия в сотрудничестве с другими исследовательскими центрами NASA (JSC, GRC, GSFC иMSFC), федеральными агентствами и частной аэрокосмической промышленностью США.

NASA надеется использовать EBFȝ для производства металлических частей в условиях отсутствия гравитации. Метод использует электронныепучки высокой мощности для последовательного наплавления материалов вформе металлической проволоки. Технологические особенности электроннолучевой плавки, наряду с экологичностью и эффективностью, делают процесспривлекательным для использования в космосе.Аддитивное производство включает в себя процессы, направленные наформирование объектов последовательным добавлением материалов, в отличиеот традиционных «субтрактивных» методов, применяющихся в машинной об48работке и подразумевающих удаление лишней массы (резка, фрезерование,сверление и т.д.).

Аддитивное производство является прямым развитием технологий быстрого прототипирования – таких, как стереолитографии, разработанной с целью создания пластиковых макетов более 30 лет назад.Концепция EBF3 основана на постройке «практически готовых форм»(«Near-net-shape» в англоязычной терминологии). Это означает, что изделия создаются на основе трехмерных цифровых моделей с настолько высокой точностью, что механическая обработка и доводка изделий практически не требуется.Современные производственные методы с использованием программногоуправления основываются на обработке трехмерной цифровой модели для создания алгоритмов, используемых в машинной обработке (т.н.

g-код). Алгоритмы служат для определения траектории движения режущих инструментов впроцессе создания готового изделия из болванки. В случае с EBFȝ процесс имеет прямо противоположное направление: те же самые цифровые модели используются для выработки производственных алгоритмов, регулирующих неудаление лишней массы, а нанесение необходимого материала. Технология использует электронные излучатели высокой мощности в вакуумной камере дляплавки металла.

Электронный пучок передвигается по рабочей поверхности,повторяя контуры цифровой модели, в то время как металлическая проволокапостепенно подается в точку фокусирования пучка. Расплавленный материалнемедленно застывает, формируя прочные слои заданной модели. Процесс повторяется до построения цельной модели, требующей лишь минимальной обработки внешней поверхности. Технология EBFȝ позволяет создавать объектыразмером от нескольких миллиметров до нескольких метров.

Практическиеограничения по объему построения накладываются физическими размерами вакуумной рабочей камеры и количеством доступного расходного материала.1.3.13 Моделирование методом послойного наплавления (FDM)Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused depositionmodeling (FDM)) – технология аддитивного производства, широко используе49мая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве (рисунок 26).Рисунок 26 – FFF принтер производства Heacenth, основанный на RepRap дизайне с открытым исходным кодом Prusa MendelТехнология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счетнанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.

Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков [6].Технология FDM была разработана С. Скоттом Трампом в конце 1980-х ивышла на коммерческий рынок в 1990 году.Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDMявляются торговыми марками компании Stratasys.

Энтузиасты 3D-печати,участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused FilamentFabrication» («Производство методом наплавления нитей») или FFF для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF эквивалентныпо смыслу и назначению.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. Некоторые50устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла.

Например, возможна печать модели из одного материала спечатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати.Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели (рисунок 27).Рисунок 27 – Новейший многоцветный FDM принтер Connex3 производства компанииStratasysИзделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») инанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.Пластиковая нить разматывается с катушки и скармливается 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 сопланаоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиентатемператур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.51Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях подконтролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии).

Модель строится слой за слоем, снизу-вверх. Как правило,экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движениепошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системойкоординат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная напрямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z. Альтернативой является цилиндрическая система координат, используемая так называемыми«дельта-роботами» (рисунок 28).Рисунок 28 – Экструдер для FFF принтера PrintrbotМоделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется длябыстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий.Среди используемых материалов числятся ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид.

Эти материалы ценятся за термостойкость. Некоторые варианты полиэфиримида, в частности, обладают высокой огнеупорностью, что делает их пригодными для использования в аэрокосмической отрасли.52FDM 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 применятьсядля создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшенийи сувениров.1.3.14 Ламинирование методом селективного осаждения (SDL)3D-печать начинается с обработки 3D файла данных. 3D принтеры компании Mcor поддерживают универсальный стандартный формат файлов STL длясоздания дизайна 3D продукта, а также форматы OBJ и VRML (для цветной 3Dпечати).

Все основные программы по автоматизированному проектированию(CAD) 3D продуктов, в том числе бесплатные программы, такие как SketchUp,создают файлы в формате STL. Файлы завершенных проектов, предлагаемыедля загрузки, так же как и файлы, созданные при сканировании физическогообъекта, как правило, представлены в формате STL. 3D принтеры Mcor поставляются с пакетом программного обеспечения, которое носит название SliceIT(рисунок 29).SliceIT считывает цифровые данные и «нарезает» слои представленнойкомпьютерной модели для последующей печати на бумаге.

По толщине этислои эквивалентны толщине бумаги. C данной программой совместимы следующие форматы файлов: STL, OBJ и VRML.SliceIT считывает цифровые данные и «нарезает» слои представленнойкомпьютерной модели для последующей печати на бумаге. По толщине этислои эквивалентны толщине бумаги. Программное обеспечение также позволяет установить местоположение части или нескольких частей модели в пределахкамеры 3D принтера. SliceIT работает на любом стандартном ПК с 64-битнойоперационной системой Windows (2000, XP, Vista или Windows 7) в паре соспециальной картой Ethernet (со скоростью о 10/100 и выше), подключаемойнепосредственно к 3D принтеру.53Рисунок 29 – Пример работы с SliceITПервый лист вручную прикрепляется к сборочной пластине. Расположитьпервый лист правильно не самое важное, так как первые несколько страниц соединяются вместе в качестве базового слоя перед тем как начинается процесснарезки.После того как показатели измерения глубины лезвия и клеящего слоя выверены, двери принтера закрываются – аппарат готов к импорту данных от программы SliceIT.В программе SliceIT на компьютере пользователь нажимает «Печать», послечего принтер приступает к созданию частей.Вначале слой клея наносится на верхнюю часть листа, помещенного на сборочную пластину.

Клей наносится выборочно – именно поэтому метод печатиполучил название «селективный». Иными словами, клеящий материал болеевысокой плотности будет нанесен на те области, которые впоследствии станутчастью модели, а клеящее средство меньшей плотности будет нанесено на течасти, которые будут служить ее поддержкой.Новый лист бумаги подается в принтер из лотка для бумаги и направляетсяровно на то место, куда было нанесено клеящее средство.

Сборочная пластинаперемещается вверх к раскаленной пластине, после чего к составным частямприменяется давление. За счет этого давления достигается прочная связь междудвумя листами бумаги.54Когда сборочная пластина возвращается на свое первоначальное положение, регулируемое лезвие из карбида вольфрама разрезает лист бумаги и в тоже время следит за контуром объекта для создания формы будущей модели.Когда вся эта последовательность выполнена, устройство начинает наносить следующий слой клея. Весь процесс продолжается до момента, пока вселисты не будут разрезаны и склеены между собой, а модель не примет свойокончательный вид.

После того, как нанесение последнего слоя завершено, модель может быть извлечена из сборочной камеры.Главное преимущество процесса SDL становится очевидным, когда вы избавляетесь от ненужных, поддерживающих модель, частей. Этот процесс называется “извлечение”. В связи с тем, что клеящее вещество наносится выборочно, между составными частями модели связь более прочная, чем между поддерживающими материалами. Кроме того, для облегчения процесса извлечениямодели, поддерживающий материал «разваливается» на маленькие составныечасти, похожие на игральные кости; это предотвращает разрушение хрупкой 3Dмодели.Принтеры Mcor отличаются своей неприхотливостью: для извлечения 3Dмоделей из-под поддерживающей структуры погружать детали в токсичныехимические вещества или использовать острые инструменты вовсе не обязательно. При печати на принтере компании Mcor ваша модель не раскрошится ине разрушится.