Ім'я файлу: Реферат.docx
Розширення: docx
Розмір: 1340кб.
Дата: 21.01.2023
скачати
Пов'язані файли:
РЕФЕРАТ.docx
Розширення: docx
Розмір: 1340кб.
Дата: 21.01.2023
скачати
Пов'язані файли:
РЕФЕРАТ.docx
Зміст
Вступ
1.Огляд поняття «Адитивні технології»
2 Класифікація адитивного виробництва
3. Матеріали, які використовуються
3.1. Матеріали для FDM-друку
3.2. Матеріали для SLА-друку
3.3. Матеріали для SLS-друку
4. Класифікація 3D-принтерів за кінематикою конструкції
5. Етапи створення тривимірної моделі
6. Класифікація похибок точності поверхонь деталей та моделей
Висновок
Список використаної літератури
Вступ
Підвищення ефективності сучасного виробництва потребує нових підходів, врахування додаткових факторів при виборі обладнання та технологій. Так, крім звичайних показників продуктивності, якості та безпеки, необхідно враховувати додаткові вимоги до оптимізації виробництва. Це можливо втілити за рахунок пошуку нових рішень, зокрема впровадження адитивних технологій. Використання адитивних технологій є одним з найкращих прикладів того, як нові розробки і пристрої можуть значно покращити традиційні методи виробництва деталей та моделей і задати стрімкий розвиток сучасних галузей машино- та приладобудування. Впровадження 3D-принтерів в сучасні галузі промисловості дозволить значно зменшити витрати на виробництво. Одним з ефективних напрямків розвитку адитивних технологій є методи виготовлення деталей на 3D-принтерах. При цьому точність та якість виготовлення моделей та деталей залежить від вибору методу друку і матеріалу.
1.Огляд поняття «Адитивні технології»
«Адитивне виробництво» (additive manufacturing) або 3D-друк – це процес створення монолітних тривимірних об’єктів практично будь-якої геометричної форми на основі цифрової 3D-моделі.3D-друк базується на концепції побудови об’єкта шляхом послідовного нанесення шарів матеріалу, які повторюють контур моделі. Фактично, 3D-друк є протилежністю отримання виробів шляхом різання, де формування деталі відбувається за рахунок видалення зайвого матеріалу.
3D-друк може виконуватись наступними методами (рис 1):
1. Екструдування — вичавлювання розплавленого матеріалу.
2. Фотополімеризація — затвердіння полімеру ультрафіолетовим або лазерним випромінюванням.
3. Друк методом спікання і плавлення матеріалів.
4. Ламінування — склеювання шарів матеріалу з подальшим вирізанням.
Рис 1. Схема класифікації технологій адитивного виробництва. Застосування адитивних технологій надає багато переваг в виробництві деталей та моделей. Наприклад, ускладнення конструкції або зміна форми принтеру без додаткових фінансових витрат. Більшість 3D-принтерів, які використовуються на підприємствах базової конструкції, деталі роз’ємні, що дозволяє змінювати та ускладнювати форму, збільшувати чи зменшувати габарити принтеру, які також будуть впливати на габарити деталей, які будуть друкуватись.
Класифікація та області застосування 3D-друку:
• проектування, розробки прототипу або моделі;
• зворотного (реверсного) проектування;
• візуалізації та аналізу концепцій та ідей;
• функціонального тестування і випробувань;
• перевірки збирання, форми, кольору, ергономіки;
• створення кінцевої продукції;
• макетування і прототипування;
• створення предметів і об'єктів мистецтва;
• створення майстер-моделей для промислового лиття;
До переваг також можна відвести безмежні можливості у створенні нових форм і точне копіювання змодельованого фізичного тіла. Тривимірне виробництво також відоме під терміном «швидке прототипування». Як прототип, для 3D-принтера, слугує проектована в CAD програмі модель, з якої вже і друкується виріб. Це дозволяє отримати деталі практично будь-якої форми. Існує високий рівень різноманітності використовуваних матеріалів: полімерні матеріали, порошки, рідини, папір, фольга і тому подібне.
Безвідходне виробництво – практично весь матеріал, який використовують, йде на виготовлення моделі. Основним недоліком 3d виробництва є відсутність єдиних для всіх міжнародних і регіональних стандартів якості і надійності надрукованих виробів, вимог до технологічних процесів та обладнання, безпеки розходних матеріалів. Якість порошкових сумішей та полімерних матеріалів, які використовуються у виробництві не зовсім досконала, що не дозволяє застосовувати пошаровий синтез для виготовлення виробів з високими вимогами до відсотку браку, а також полімерні матеріали токсичні і не можуть бути перероблені і використані повторно.
Для професійного використання даної технології, використання 3d-друку на виробництві поставлені достатньо високі вимоги до точності друку, а потрібне обладнання має високу вартість та дорогі матеріали для друку.
До проблематики також можна віднести не розроблене питання захисту інтелектуальної власності від можливості неліцензійного копіювання оригінальних виробів чи забороненої до масового використання продукції (зброї).
У сучасній економіці адитивні технології використовуються для прототипування і розподіленого виробництва в архітектурі, будівництві, промисловому дизайні, автомобільній, аерокосмічній, військовопромисловій,
інженерній та медичній галузях, біоінженерії (для створення штучних тканин), виробництві одягу і взуття, ювелірних виробів, в освіті, географічних інформаційних системах, харчовій промисловості та багатьох інших сферах.
2. Класифікація адитивного виробництва
Розвиток 3D-принтерів дуже стрімкий, створюються нові методи друку, технології та матеріали. Різниця між різними технологіями і методами дуже помітна. Класифікувати 3D-принтери можна як мінімум по трьом основним пунктам: метод друку, технологія та матеріал (Табл.1). Екструзійний метод– пошарового наплавлення або FDM-технологія (Fused deposition modelling) полягає у тому, що термопластичний полімер у вигляді нитки, намотаної на котушку при обертанні роликових елементів подається в зону нагріву, де він розплавляється і видавлюється через сопло, формуючи елементарний фрагмент об’єкта. Після друку всього поточного контуру платформа переміщається вниз і починається нанесення нового шару (Рис 2,а).
а) б) в)
Рис 2. Принцип роботи методу: а) SLA, б) SLS, в) FDM
Дротовий метод– виробництво довільних форм електроннопроменевим плавленням EBF (Electron beam melting).
Цей метод використовує електронні пучки високої потужності для послідовного наплавлення матеріалів у формі металевого дроту. Тут будівельним матеріалом є сипучі, порошкоподібні матеріали, як полімерні, так і металеві, а лазер є не джерелом світла, як в SLA-машинах, а джерелом тепла, за допомогою якого проводиться сплавлення частинок порошку. Додаткова обробка гарячим ізостатичним пресуванням і відповідна термообробка надають деталям необхідної міцності (Рис 2.б) Струменевий тривимірний друк 3DP-технологія (Three-Dimensional Printing).
Технології струменевого тривимірного друку поділяються на дві категорії: − розбризкування матеріалу, коли принцип роботи ідентичний до звичайного струменевого принтера, але замість чорнила через сопла на охолоджену платформу надходить деяка кількість розігрітого пластику.
Краплі пластика дуже швидко застигають і формують один із шарів майбутнього тривимірного виробу; − розбризкування сполучної речовини, коли на тонкий шар гіпсового, полімерного або металевого порошку розбризкується клейкі речовини.
Стереолітографія або SLA-технологія (від Stereo lithography Apparatus) – пошарове затвердіння рідкого фотополімеру лазером. Використовує резервуар з вулканізованою фотополімерною смолою. Платформа побудови поступово опускається, і рідкий фотополімер піддається дії світла, завдяки ультрафіолетовому лазеру, який малює поперечний переріз об'єкта шар за шаром.
Процес повторюється до тих пір, поки модель не буде завершена. Об'єкт друкується на 3D принтері за допомогою підняття з резервуара зі смолою (знизу вгору), що створює простір для затверділої смоли на дні контейнера для формування наступного шару. Інший метод полягає в опусканні об'єкта в бак зі смолою і затвердінні верхнього шару (Рис 2,в).
3. Матеріали, які використовуються
3.1. Матеріали для FDM-друку
Технологія FDM 3D-друку є найбільше розповсюдженою, тому вибір матеріалів саме для таких 3D-принтерів найширший. У світі сформувалась єдина класифікація матеріалів, якої дотримується більшість виробників. Залежно від спеціалізації друку матеріали для FDM 3D-друку поділяються на декілька груп, кожна з яких призначена для визначеного типу виробів (Рис 3). В роботах приведена класифікація матеріалів для швидкого прототипування методом FDM друку. Універсальні пластики загального призначення використовуються для створення виробів, що не зазнають значних механічних, термічних і інших видів навантажень:
Рис 3. Класифікація матеріалів, які застосовуються в FDM-технології
ABS — акрилонитрилбутадієнстирол.
Перший матеріал, з якого почали виготовляти пластикову нитку для домашніх настільних адитивних принтерів. Його недоліком вважають стійкий пластмасовий запах, що виділяється під час друку. Вирізняється міцністю і зносостійкістю.
PLA — полілактид.
Найбільш екологічно чистим і вдалим витратним матеріалом для тривимірного друку. Даний вид пластику є термопластичним поліефіром, який створюється з біологічних відходів (цукровий буряк або силос кукурудзи).
Технічні пластики:
PET — поліетилентерефталат або поліестер.
Один з найбільш розповсюджених термопластиків у промисловості. Добре відомий як матеріал для виготовлення пластикових пляшок. Використовується, коли необхідне сполучення міцності і в’язкості одночасно. Застосовується для виробів, що контактують з харчовими продуктами.
PC — полікарбонат.
Один з найбільш міцних матеріалів для FDM 3D-друку. Широко використовується в промисловому виробництві, найвідоміші приклади — компакт-диски, тактичні захисні армійські окуляри. Використовується для виготовлення високоміцних виробів, що працюють під високим навантаженням. Дозволяє створювати вироби, які пропускають світло.
§PBT — полібутилентерефталат.
Конструкційний технічний пластик, що кристалізується. Вирізняється високою стійкістю до абразивного зносу і низьким коефіцієнтом тертя. При виготовленні деталей, може бути заміною таких матеріалів як мідь, бронза, алюміній, конструкційні реактопласти та скловолокно.
NYLON — нейлон.
Виключно міцний, зносостійкій и гнучкий пластик сімейства поліамідів. Використовується в промисловості для виробництва деталей, що працюють під високим навантаженням, а також для виготовлення високоміцних тросів, тканин, струн музичних інструментів тощо.
Elastan — еластан.
Гнучкий синтетичний пластик на основі каучуку. Застосовується для виготовлення демпферних, антивібраційних і герметизуючих елементів, а також для виробів, що експлуатуються при різких коливаннях температури. За властивостями нагадує тверду гуму. Має високий опір ударним навантаженням.
Plastan — пластан.
Гнучкий синтетичний пластичний матеріал на основі каучуку. Еластичність і пружність нижчі, ніж у еластана, а міцність - вища. Застосовується у виробництві деталей, що працюють під впливом як динамічних, так і статичних навантажень. За властивостями нагадує м'які метали (бронза, свинець, золото). Декоративні пластики:
Laywood — пластик, що імітує деревину.
Пластик складається з дрібнодисперсного деревного порошку і полімерного з’єднувача, схожого на PLA. Застосовується для друку виробів, що імітують деревину. При певному режимі друку, дозволяє імітувати фактуру натурального дерева: вікові кільця, кора та інше.
BronzeFill — пластик, що імітує бронзу.
Пластик складається з дрібнодисперсного бронзового порошку і полімерного з’єднувача, схожого на PLA. Застосовується для друку виробів, що імітують бронзу, латунь та інші подібні метали. Містить до 80% бронзового порошку. Має електропровідність, дозволяє включати вироби в електричні ланцюги. Після поліровки набуває металевого блиску. Допоміжні матеріали:
PVA — полівінілацетат (ПВА).
Водорозчинний напівпрозорий матеріал, в основі якого є вінілацетат. Використовується в FDM 3D-друку для побудови технологічної підтримки при друкуванні складних виробів. Повністю розчиняється у воді. Добре видаляється механічно.
HIPS — полістирол.
Термопластичний полімер, на основі стиролу. Використовується для побудови технологічної підтримки, при друкуванні складних виробів.
Розчиняється органічним розчинником лімоненом. Добре видаляється механічно.
3.2. Матеріали для SLА-друку
На основі проведення аналізу робіт показано класифікацію груп матеріалів, які використовуються при даній технології (рис. 4) :
Рис 1.4. Класифікація груп матеріалів в SLA-технології
Групи матеріалів в SLA-технології розподіляються на:
1. Макетні- Підходять для виготовлення макетів, моделей, прототипів, а також для виготовлення майстер-моделей для вакуумного лиття.
Ці матеріали не призначені для виробів, що зазнають різні види навантажень.
2.Воскові-Смоли на базі воску дозволяють виготовляти з них точні і деталізовані воскові моделі, що виплавляються, для лиття. Такі моделі використовують для виробництва ювелірних прикрас, литих стоматологічних виробів і високоточних деталей.
3.Технічні- Фотополімерні смоли, основною якістю яких є стійкість до різних навантажень, що дозволяє використовувати їх для виготовлення міцних, зносостійких виробів.
4.Декоративні- Застосовуються для створення декоративної продукції. Вирізняються рядом властивостей, що не притаманні іншим матеріалам, наприклад: прозорість, флюоресценція, еластичність і так далі.
3.3. Матеріали для SLS-друку
Технології порошкового плавлення дозволяють виготовляти об'єкти з різних матеріалів з використанням технології SLS, що відноситься до пластикових полімерів. Найбільш поширеним є поліамід (PA 12), зазвичай відомий як нейлон 12, але він також може являти собою поліпропілен, алюмінідів, амід вуглецю, PEBA, PA 11, PEEK.
Також можна додавати до матеріалів інші добавки, такі як вуглецеві волокна, скляні або алюмінієві волокна, тим самим покращуючи механічні характеристики деталей.
4. Класифікація 3D-принтерів за кінематикою конструкції
Під час процесу 3D-друку моделі, в конструкції принтера повинен бути рухомий або екструдер (HEAD), або стіл (BED).
Переміщення можуть виконуватись вліво-вправо (вісь Х), вперед-назад (вісь Y) і вгору-вниз (вісь Z).
Переміщення в декартових і циліндричних координатах – це два основних методи переміщення.
Щоб відстежити класифікацію принтерів за кількістю ступенів руху столу і екструдера, можна скласти морфологічний аналіз у координатах X, Y, Z (Рис 5).
Розглянемо чотири найрозповсюдженіші варіанти реалізації кінематики 3Dпринтерів. На рисунку зображено, яка саме частина буде рухома і в яких координатах, за виключенням осі Х, в даному напрямку у всіх розглянутих варіантах буде рухатись тільки екструдер.
Вісь Y та вісь Z в колоні екструдера відповідає за рух екструдера в цих координатах, в колоні робочого стола – за рух стола.
Рис 5. Варіанти реалізації кінематики 3D-принтерів.
На (рис 6) показано кінематики екструдера в координатах – XZ, стола в координатах – Y (а) та екструдера в координатах – XYZ (б).
а) б)
Рис 1.6. Зображення кінематики: XZ Head , Y Bed, (а) XYZ Head (б)
Переміщення екструдера в координатах – XYZ.
За такою схемою працюють так звані дельта-принтери, які вважаються відносно новим явищем в 3Д-друку [20,21].
Тут по всіх осях рухається закріплений на трьох точках екструдер, а стіл зафіксований нерухомо. Також за цим принципом працюють 3D-принтери в вигляді роботизованих маніпуляторів.
Переваги такої схеми: висока швидкість друку за рахунок можливості екструдера переміщатися у всіх трьох площинах; малі габарити в ширину і велика висота - дає можливість будувати високі вузькі вироби; відсутність виступаючих деталей - можна робити закриті корпусу; низькі енерговитрати.
Недоліки такої схеми: менша точність на краях моделей – кожна точка кріплення має свій двигун і похибки в переміщенні призводять до накопичення помилок позиціонування.
Кінематика руху принтеру схематично зображена на рис 6.б.
Переміщення екструдера в координатах – XZ, робочого стола в координатах – Y.
Найчисленніша група – екструдер переміщається по осях X та Z, а по осі Y рухається платформа.
Перевага такої схеми: простота складання конструкцій; зручно доступ до всіх вузлів – в таких принтерах без обмежень можна дістатися до будь-якого елементу системи. Недоліки такої схеми: мала вага і слабка жорсткість конструкції призводять до вібрацій, що знижує якість друку.
Але в сучасних моделях принтерів реалізовані різні рішення, що знижують даний ефект; складність в калібруванні – відповідно, щоб з урахуванням першого мінуса конструкції, отримувати якісні вироби, потрібно все дуже ретельно калібрувати; деламінація – відкрита конструкція таких принтерів призводить до зайвої вентиляції, що ще більше погіршує ефект термоусадки деяких видів матеріалів.
Кінематика руху принтеру схематично зображена на рис 6.а.
Переміщення екструдера в координатах – XY, робочого стола в координатах – Z.
У цій групі, по осях X та Y рухається екструдер, а робочий стіл рухається тільки вгору та вниз (вісь Z) .
Переваги такої схеми: стійкий корпус, найчастіше квадратної або прямокутної форми; висока якість друку при значній швидкості; відсутність деламінаціі за рахунок закритого корпусу і за рахунок того, що стіл не рухається в сторони, тільки вгору-вниз; можливість робити дуже великі принтери і вироби – така конструкція дозволяє збільшувати розміри пристрою без втрати точності.
Недоліки такої схеми: складність складання і відповідно більш висока ціна, а також важкість налаштування та калібрування принтера з такої схеми. IV.
Переміщення екструдера в координатах X, робочого стола в координатах YZ . Екструдер рухається тільки вліво-вправо, а робочий стіл може рухатись вперед-назад та вверх-вниз.
Переваги такої схеми: висока якість друку; мінімальна кількість налаштувань; зручність використання.
Недоліки такої схеми: висока ціна через складну конструкцію; відсутність можливості закрити корпус призводить до ризиків температурних деформацій.
5. Етапи створення тривимірної моделі
На рисунку 7 схематично показано повний життєвий цикл виготовлення моделі на 3D-принтері: Адитивна технологія (рис. 7.) передбачає наступні етапи створення кінцевого продукту :
1. Створення базової концепції виробу.
2. Підготовка CAD-моделі (computer-aided design – комп’ютерна підтримка проектування), тобто створення електронної (цифрової) конструкторської та технологічної документації на спроектований виріб.
3. Створення STL-файлу (stereo lithography – стереозображення), тобто отримання файлу в форматі, що використовується для зберігання об’ємних тривимірних моделей.
4. 3D-друк, який власно передбачає фізичне створення виробу на 3D-принтері на основі попередньо створених цифрових моделей.
5. Фінішна обробка для надання виробу необхідних якостей, властивостей чи зовнішнього виду, що передбачає можливу абразивну, хімічну, фізичну, теплову, декоративну чи іншу обробку.
6. Отримання готового виробу та активне використання.
7. Утилізація деталі.
Рис 1.7. Етапи створення моделі
Існує велика кількість CAD систем, для розробки конструкцій здатних проектувати цифрові 3D-моделі будь-якої важкості, але кожна програма має певні недоліки, які впливають на якість поверхні і досягнуту геометричну точність прототипу.
Формат STL є основним для технологічного процесу друку на 3Dпринтерах.
Особливістю даного формату є розбиття геометрії цифрової моделі на модель, яка складається з набору рівносторонніх трикутників. Кількість трикутників залежить від вибраного CAD продукту, тому, для прикладу на Рис. 8. а) та б) показано представлення моделі в форматі .STL в програмі SolidWorks та КОМПАС .
а) б)
Рисунок 8. Представлення цифрових моделей в форматі STL: а) – Solid Works б) – КОМПАС
Аналіз рисунку 8. показав що препроцес у програмних продуктів різний.
У системи Solid Works є можливість отримати достатньо дрібну сітку трикутників, ніж в системи КОМПАС.
3D-принтер повністю повторює форму кінцевого продукту з формату .STL, тому значення шорсткості Ra в зразка 8а) буде значно вищою .
Після запуску спеціальною програмою файлу в форматі .STL, вона ділить модель на шари (слайси) і розписує їх на G-code.
Принцип друку ґрунтується на промальовуванні голівкою принтера периметра майбутньої деталі і її внутрішньої структури на певній висоті (шарі).
G-код – це ряд інструкцій, в яких треба прописати що робити 3D-принтеру при виконанні програми.
Тобто, в який момент часу, в яку сторону і з якою швидкістю їхати друкарській голівці принтера (екструдеру), де саме включити подання матеріалу, або навпаки включити реверс .
Яку підтримувати температуру на екструдері і на столі (якщо нагрів столу є), і на якій висоті її підвищити або знизити.
6. Класифікація похибок точності поверхонь деталей та моделей
При використанні 3D-друку, в точності поверхонь готових моделей, виникають похибки, як і при будь-якому іншому технологічному методі обробки для отримання кінцевої деталі (Рис.9)
Рис 1.9. Класифікація похибок точності поверхонь друкованих моделей
Види похибок бувають:
похибка ширини екструзії – при друкуванні деталі потрібно враховувати, що сопло має свій діаметр, діаметр екструзії.
Під час друку сопло повторює периметр заданих розмірів деталі відносно центра діаметра екструзії, тобто під час моделювання деталі, потрібно додавати до розмірів ще і діаметр екструзії, для зменшення даної похибки;
апроксимація радіусів, залежно від висоти шару. Задана висота шару впливає на точність отворів в деталі, тому що, чим менше висота шару, тим більше сходинок в отворі, тим краще передавати правильність поверхні;
точність позиціонування екструдера 3D-принтера, на цю похибку впливає швидкість друку, жорсткість конструкції 3D-принтера і його кінематика;
інерційне биття – крім попередньо описаних параметрів, на дану похибку також впливає різка зміна вектору екструдера. Якщо електропривод принтеру швидко змінює траєкторію руху, то екструдер, маючи власну вагу, за інерцією деякий момент часу продовжує рухатись в попередньому напрямку; - неконтролююча усадка матеріалу;
похибка першого шару;
пористість – пористість поверхні виникає при максимальному заповненні деталі матеріалом;
точність відповідності розмірів друкованих деталей при складанні; - місця відриву матеріалу;
шорсткість тонких стінок – при тонкостінному друку виникає інерційне биття, тому що екструдер починає вібрувати;
швидкість подачі матеріалу;
температура плавлення.
В процесі накладання шарів один за одним, створюється певна фактура 3Dдруку, вона і буде показувати значення шорсткості поверхні моделі.
Точність шорсткості при друку визначається ще додатковими наступними факторами :
1. Точність позиціонування екструдера відносно платформи. Тобто якщо програмно задати переміщення екструдера з точки А в точку Б з певною відстанню, то похибка буде визначатись як відхилення від заданої позиції точок.
2. Точність позиціонування стола відносно осей визначається аналогічно визначенню точності позиціонування екструдера відносно платформи, тільки в вертикальній площині.
3. Повторюваність. Цей параметр показує наскільки попередній шар буде відрізнятись від наступного.
Висновок
На основі аналізу огляду апріорної інформації в області застосування адитивних технологій зроблено наступні висновки:
- методи 3D-друку знайшли широке застосування в багатьох галузях промисловості;
- використання методів прототипування має ряд істотних переваг в порівнянні з традиційною технологією механічної обробки;
- літературний огляд інформації про найбільш використовувані методи технології швидкого прототипування показує, що найбільш задіяний метод – метод FDM;
- у вітчизняній і зарубіжній літературі відсутня інформація про технологічні параметри процесу 3D-друку, що впливають на показники якості;
- не встановлено значення технологічних параметрів процесу прототипування, що впливають при формоутворенні;
- не встановлені залежності показника шорсткості від зміни параметрів (діаметр екструзії, швидкість та температура друку);
Список використаної літератури
1.Новаковский А.Г., Антонюк В.С. Анализ современных технологических подходов к аддитивному производству // Республиканский межотраслевой производственно практический журнал. - Минск – № 3(72) – 2016.– С. 11 – 12
2. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении : учебное пособие. – СПб. : СПбГУ, 2013. – 221 с
3. Е. Я. Чонка, О. Г. Новаковський, В. В. Сєров // Дослідження якості поверхні при виготовленні моделей на 3D-принтері / Процеси механічної обробки, верстати та інструмент: збірник наукових праць Х Всеукраїнської науково-технічної конференції, 6–9 лист. 2019 р. – Житомир: Державний університет «Житомирська політехніка», 2019. – С. 201-202.