Принцип действия и перспективы применения 3D-принтера

Размещено на http://www.allbest.ru

34

Размещено на http://www.allbest.ru

Принцип действия и перспективы применения 3D-принтера

Прототипирование

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping)

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping - RP) - это новые технологии, активно развивающиеся в проектной и производственной индустрии. Предоставляют возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-системы, и получить чертежи и проекты в 3D-представлении, только нажав кнопку. При завершении работы на CAD-рабочей станции над идеей или проектом, можно дать команду "печать", и в течении нескольких часов или дней, в зависимости от размера, получить физическую модель изделия. По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках с ЧПУ), существовавшими до середины 80-х годов, появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того, чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут получать их через несколько дней или часов.

прототипирование модель трёхмерная печать

В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся на сегодня, работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем: считывание трёхмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твёрдотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами).

Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут выдавать файлы STL;· разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение · построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели.

Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

На сегодняшний день на рынке существует целый ряд RP машин, значительно отличающиеся по стоимости. Наименьшую стоимость имеют 3D-принтеры, используемые при концептуальном дизайне. Стоимость таких систем начинается с $30000. Наиболее дорогие - производственно-ориентированные системы, стоимостью около $800000. Кроме этого, предлагается множество систем для быстрого прототипирования, стоимость которых находится в этих пределах. RP-системы появились около 1987 года, когда компания 3D Systems выпустила свои стереолитографические машины (Stereo Litographics Apparatus - SLA). Наряду с 3D Systems первенство по продаже оборудования держат компании Stratasys и DTM. Другие значительные участники этой индустрии - Helisys Inc., Sanders Prototypes Inc., Z Corporation и другие.

Основные технологические процесы

Работа некоторых RP-систем основана на фотополимеризации - химическом процессе, при котором жидкая смола (полимер) превращается в твёрдый полимер под воздействия на неё ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра. Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов для построения физических моделей. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, образуя слои, последовательность которых образует физическое тело; технологии спекания порошковых материалов под воздействием тепловых процессов; “склеивание” листовых материалов. Разновидность процессов быстрого изготовления прототипов соответствует числу производителей. Рассмотрим основные технологии быстрого получения прототипов изделий.

Технология SLA. Системы SLA-5000/SLA-7000. Компания 3D Systems

Все, кто впервые сталкивается с понятием Rapid Prototyping - RP, сразу знакомятся с технологией SLA. Исторически эта первая технология быстрого прототипирования и существует целый ряд компаний развивающих это направление. Родоначальником и лидером на ранке SLA систем, является компания 3D Systems (США), основанная в 1986 году. В настоящее время компания является лидером по продажам и производству на рынке RP-систем-стереолитографов и 3D принтеров. Штаб квартира 3D Systems находится в Valencia, California, США. Имеет филиалы в США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Испании и КНР.

Описание технологии и оборудования

Процесс построения моделей осуществляется путем полимеризации (т.е. затвердевания) жидкого фотополимерного материала под действие лазера. А именно в бочку, заполненную фотополимерным материалом, опускается столешница, на которой строится модель. Лазер очерчивает контуры модели согласно алгоритму конкретного слоя. Затем столешница опускается в бочку и создаётся новый слой. Процесс повторяется до полного изготовления детали.

Преимущества

При необходимости изготавливать крупногабаритные изделия на рынке представлены SLA установки с большой камерой построения.

Недостатки

Поскольку технология SLA исторически была первой, то с этим связаны присущие ей недостатки. Прежде всего, это громоздкость базовой системы и сопутствующего дополнительного оборудования. Вся система занимает довольно большую площадь, требует дополнительных условий эксплуатации, как-то вентиляция. Система довольно сложна в использовании и требует квалифицированного персонала.

Толщина слоя построения составляет 50 микрон, что на сегодняшний день уже недостаточно. После построения необходим трудоёмкий и длительный процесс послепечатной обработки. Модели помещают в дополнительную ультрафиолетовую камеру (комплектуется как опция) для придания более твёрдой структуры. Перед использованием моделей в качестве мастер-моделей необходима дополнительная мех обработка: шпаклёвка и шлифовка. Со временем модели "краснеют" под действием солнечного света и теряют геометрию.

Стоимость оборудования

С учётом транспортных расходов, всех таможенных пошлин и налогов стоимость базовой системы будет составлять 750.000 $ - 800.000 $. Если учитывать, так называемый, environment - дополнительное обеспечение необходимое для нормальной работы системы, то в сумме комплекс может потянуть на 1.000.000 $ Основная дорогостоящая составляющая системы - лазер - имеет определённый ресурс работы и со временем требует замены.

Расходные материалы

Существует довольно большое количество видов различных фотополимеров, применяемых в SLA-установках. Компания 3D Systems не является разработчиком и производителем расходных материалов для своих систем - этим занимается одна крупная бельгийская компания. Эта же компания обладает патентами и правом продавать свои разработки другим компаниям. Более того в России довольно давно и успешно работают над фотополимерными материалами, в следствии чего бытует мнение, что для SLA-установок расходные материалы есть в "свободной продаже".

Преимущества

Большое семейство различных материалов обладающих различными характеристиками.

Недостатки

Разные SLA-установки поддерживают различные материалы, так скажем материалы, используемые в SLA-5000, нельзя использовать в SLA-7000!!!!

В качестве материала поддержки используется тот же тип, что и материал построения. Материал поддержки - это отходы, которые обходятся в ту же стоимость, что и материал построения моделей.

Стоимость расходных материалов

Материал поставляется канистрами минимум по 10 кг. Стоимость 1 кг в зависимости от типа материала составляет 230 $ - 300 $. Для того чтоб начать процесс построения, как видно из технологии, бочка SLA-установки должна быть полностью заполнена жидким фотополимером. Это значит, что в зависимости от объёма бочки на первоначальном этапе необходимо вложить от 20.000 $ до 60.000

Технология SLS. Системы Formiga. Компания EOS

Кроме компании EOS (Германия) поставщиком систем SLS является и 3D Systems. Однако хотелось отметить именно EOS. В линейке их оборудования есть следующие типы установок: SLS, SLP, SLM.

Описание технологии и оборудования

Принцип работы технологии SLS (Selective Laser Sintering) очень схож с SLA. Построение модели осуществляется путём спекания порошковых материалов под действие лазера. В качестве материала построения могут использоваться пластические (SLP) и металлические (SLM) порошки. В итоге на выходе SLS установок получаются готовые изделия из металла или пластика.



Преимущества

Возможность быстрого получения пластиковых или металлических изделий для дальнейшего их использования в технологическом процессе производства, требующего высокие нагрузки, агрессивные среды и прочее.

Недостатки

Во многом недостатки те же, что и у систем SLA. Большие габариты установки и необходимость в дополнительном оборудовании. Толщина слоя составляет 0,1-0,2 мм. Что приводит к необходимости дополнительной обработки. Различные модели систем использую ту или иную технологию (SLS, SLP или SLM) - это значит, что отдельные материалы поддерживаются конкретными системами. Необходимо наличие квалифицированного персонала. Полное отсутствие сервиса в Украине как такового.

Стоимость оборудования

Системы SLS в комплексе стоят дороже, чем SLA, чем и отпугивают конечных пользователей от покупки. Слишком большие инвестиции (более 1 000 000$) необходимо сделать на начальном этапе.

Расходные материалы

Расходные материалы к своим системам компания производит самостоятельно. К сожалению, на данный момент у меня нет точного списка и подробных данных по характеристикам тех или иных материалов, однако в семействе материалов EOS можно найти широкую линейку пластических, резиноподобных, металлических материалов.

Преимущества

Широкая линейка расходных материалов, для применения именно в вашей области.

Недостатки

Отсутствуют.

Технология DLP. Системы семейства Perfactory. Компания Envisiontec

Envisiontec (Германия) - компания, которая пытается выжать максимум из откровенно неудачной технологии Digital Light Processing (DLP).

Описание технологии и оборудования.

Особенностью технология заключается в том, что столешница на которой строится модель поднимается вверх а не опускается в бочку. Полимеризация материала осуществляется послойно засветкой УФ прожектора через фотошаблон, который соответствует тому или иному слою.

С самого начала технология имеет очень ограниченное применение и, рассчитана на дантистов и ювелиров. Хотя при толщине слоя 30 микрон этого всё-таки недостаточно.

Преимущества

Малые габариты установки. Высокая скорость печати. За счёт того что при построении модель не опускается в ванну с фотополимером (как в SLA), это ускоряет сушку и снижает риски деформации геометрии (нет необходимости в дополнительной камере для сушки моделей).

Недостатки

Разрешение системы определяется двумя параметрами: разрешением графической матрицы (XGA - eXtended Graphics Array) - совокупность зеркал по оси Х 1024 и по оси Y - 768; и размером вокселя (объемного элемента). Другими словами в этой технологии количество пикселей постоянно, и его размер определяется размером модели. Чем больше плоскость построения (модели), тем больше размер вокселя и хуже качество модели. Эта технология только для малых деталей - отсюда малая плоскость построения и ограниченное применение.

Очень длительный и сложный процесс очистки моделей от поддержки.

Трудоемкий процесс эксплуатации: перед каждым процессом печати необходимо производить калибровку системы зеркал. Необходим квалифицированный обслуживающий персонал и аккуратное обращение, чтоб не сбить и не поцарапать зеркала. Отсутствие сервиса.

Есть, по крайней мере, две компании, которые имели отрицательный опыт с Envisiontec. Одна ювелирная итальянская - система просто напросто загорелась; другая, тоже ювелирная украинская - недавно продали из-за низкого качества моделей.

Стоимость оборудования

Стоимость может составлять порядка 40 000 €

Расходные материалы

DLP использует фотополимерный материал, как и в предыдущих системах трехмерной печати по технологиям SLA, PolyJet. Производителем и поставщиком материалов является сама компания Envisiontec

Преимущества

Насчитывает линейку из 6 материалов разного назначения.

Недостатки.

Отсутствие резиноподобных и прочных ABS-подобных материалов.

Стоимость расходных материалов.

Поскольку технология не рассчитана на средние и крупные модели стоимость расходников установлена довольно высокая, более 300 €

Технология FDM. Системы семейства FDM Vantage. Компания Stratasys

Компания Stratasys (США) делает свой акцент на системах, которые работают не с полимерными материалами. Компания делает эффективный коммерческий трюк, заявляя о том, что их RP системы изготавливают функциональные модели из ABS пластика. На самом деле это не совсем так.

Описание технологии и оборудования

Работа 3D принтеров FDM - Fused Deposition Modeling осуществляется за счёт наложение и солидофикации (отвердение) полимерной нити на плоскость построения. Нить подаётся с катушки на экструзионную головку. Температура головки и скорость вращения подающих роликов настраивается таким образом, чтоб в каждый момент времени наносилось одинаковое количество материала. В качестве поддержки, в паре используется дополнительная головка и дополнительная катушка с материалом поддержки.

Преимущества

Системы Stratasys относительно компактны. Нет необходимости в дополнительных специальных условиях эксплуатации. Просты в обслуживании. Модели получаются достаточно прочные.

Недостатки

Большая толщина слоя построения 0,127 - 0,254 мм. И как следствие очень низкое качество моделей FDM. Низкая скорость печати, за счёт того что одна головка работает по всей поверхности детали. При нагреве и/или нагрузках может происходит расслоение нитей (слоёв). Отсутствие сервиса.

Стоимость оборудования

Как и Objet, компания Stratasys предлагает довольно широкий ассортимент 3D принтеров. Их стоимость немногим больше, чем стоимость Objet и составляет в пределах 100 000 - 350 000 €, хотя функционал ниже за счёт низкого качества моделей.

Расходные материалы

Материал ABS - это сополимер химических составов Акрилонитрила (Acrylonitrile), Бутадиена (Butadiene) и Этилен-бензола (Styrene). Различные пропорции компонентов существенно определяют физико-механические свойства материала. И как видно из таблицы приведенной ниже ABS-подобные материалы Stratasys по ряду параметров не соответствуют оригинальному ABS.

Характеристики материалов

Оригинальный ABS от компании Boedeker Plastics

Stratasys

ABS

Stratasys

ABS Plus

3D Systems

Accura 50

Objet

VeroWhite

предел прочности на разрыв (psi)

6 500

3 200

5 295

7 030

7 221

модуль упругости (psi)

340 000

236 000

329 500

360 000

361 775

предел растяжения на разрыв (%)

25

6

4

5,3

25

прочность на изгиб (psi)

11 000

6 000

7 604

10 400

10 817

модуль изгиба (psi)

320 000

266 000

319 737

320 000

309 865

Ударные испытания по методу Изода (ft lb/in)

7

2

1,8

0,31

0,66

Температура деформации при нагреве @264psi (C)

102

96

82

43

43,6

Как можно видеть, полимерные материалы SLA и Objet по характеристикам более соответствуют ABS, чем Stratasys. При этом эти компании не говорят, что они изготавливают модели из ABS-подобного материала.

В качестве материала поддержки используется два решения SST, и BST (SST - soluble support technology - растворимая поддержка, BST - breakaway support technology - разрушаемая поддержка). Это значит, что после процесса построения материал поддержки SST можно растворить в специальном химическом составе. Материал поддержки BST необходимо удалять (срывать и срезать) механическим способом. Технологию SST поддерживают только дорогие системы - есть возможность получать детали сложной геометрии, но необходимо дополнительное оборудование и расходники. А именно ванна и химсостав, который периодически необходимо обновлять. Технология BST - грязная и трудоёмкая. Есть риски повредить модель при очистке и нет возможности полной очистки сложных геометрий.

Преимущества

Оригинальные ABS и PC материалы используются для изготовления конечных продуктов, соответственно материалы FDM предполагается применять в качестве готовых ЕДИНИЧНЫХ(!) изделий.

Недостатки

Стоимость материалов. Невозможность использовать изделий в качестве мастер-моделей для для силиконовых пресс-форм - необходимо значительная механическая обработка. Невозможность изготавливать малые детали/изделия.

Стоимость расходных материалов

Стоимость материалов составляет от 330 € за 1 кг. Соответственно изготовление малой партии конечных изделий обойдётся слишком дорого

Технология PolyJet. Системы семейства Eden. Компания Objet Geometries

Компания Objet Geometries (Израиль) появилась на рынке RP с технологией PolyJet - основным конкурентом SLA сравнительно недавно. Первая система Eden330 была запущена в середине 2003 года и на данный момент уже снята с производства. На сегодняшний момент по всему миру установлено долее 1000 систем Objet. Темпы развития систем 3D печати Eden и расходных материалов FullCure наиболее прогрессивные. Доказательством тому является награда, которую Objet получил за систему Connex500, как наиболее инновационный продукт крупнейшей выставки EuroMold (Германия, декабрь 2007). Впервые "аналог голливудского оскара" заработала компания, работающая в сфере RP&M. Компании, которые ориентированы на будущее отдают предпочтение Objet.

Описание технологии и оборудования

Процесс печати заключается в следующем. На плоскость построения согласно программному алгоритму наносится жидкий фотополимер блоком печатающих головкой. Блок состоит из 8 головок - это 768 сопел малого диаметра и 16 млн.(!!!) капель в минуту. На печатающей головке размещены две ультрафиолетовые (УФ) лампы, которые заменяют лазер в SLA-установках. После нанесения фотополимер полимеризуется под воздействие УФ света. Этим завершается построения одного слоя. Далее плоскость построения опускается на очень малый уровень и головки наносит следующий слой.

На данный момент существуют две платформы оборудования: Eden и Connex. Eden поддерживает технологию построения моделей PolyJet, Connex - технологию PolyJet Matrix. (Connex - это уникальное оборудование, уникальные возможности - а значит, и тема отдельной статьи).

Преимущества

Малая толщина слоя в 16 микрон удовлетворяет даже ювелиров, которые имеют повышенные требования к детализации моделей. Как следствие малой толщины - гладкость криволинейных поверхностей. Высокое разрешение печати 600 х 600 dpi. Точность изготовления моделей до 0,1 мм. Возможность изготавливать вертикальные перегородки с толщиной до 0.4 мм. Хотя производителем заявляются 0,6 мм. Очень высокая скорость изготовления моделей. Процесс печати дольше, чем у принтеров ZCorp, но с учетом процесса послепечатающей обработки весь цикл получения качественной готовой модели значительно короче, чем у существующих конкурентов.

Оборудование занимает мало место. Легкий, понятный и чистый процесс работы. Эксплуатация и сервисной обслуживание не требует высококвалифицированного персонала.

Недостатки

Объективно отсутствуют!

Стоимость оборудования

Стоимость принтера Objet для конечного пользователя зависит от выбранной модели и составляет от 67 000 € (для Eden250) и до 300 000 € (для Connex500). В стоимость уже входят таможенная очистка, доставка к клиенту, инсталляция, обучение и гарантия на 1 год. При более качественном изготовлении моделей Objet в 4-5 раз дешевле по сравнению с SLA.

Расходные материалы

Разработчиком и производителем материалов FullCure является компания Objet. Существует 3 типа материалов: жесткие, резиноподобные, а-ля полипропилен. Все профессиональные системы (кроме офисных Eden250/Eden260) поддерживают всю линейку расходных материалов. Более того Connex с технологией PolyJet Matrix позволяет создавать новые композитные материалы, с разными физико-механическими свойствами "на лету"! При этом используются уже существующий ассортимент расходников FullCure.

Преимущества

Широкая линейка расходных материалов. Среди жестких материалов существуют прозрачные, полупрозрачные материалы для отображения внутренних поверхностей и сборок. Экономный режим расхода материалов, благодаря новому модулю Optimax, в котором заложен специальный алгоритм построения моделей.

Наличие линейки резиноподобных материалов, что востребовано рынком, но нет у конкурентов. Единственный тип материала поддержки, который используется со всеми материалами построения, легко смывается проточной водой.

Все материалы прошли медицинские испытания и имеют сертификаты, свидетельствующие о их безопасном использовании.

Недостатки

Отсутствуют!

Стоимость расходных материалов

Материал поставляется картриджами по 2 кг (для офисных систем Eden250/Eden260) и по 3,6 кг. Стоимость 1 кг в зависимости от типа материала составляет 230-280 € При этом материал поддержки в 2 раза дешевле 115 € за 1 кг., напомним, что в SLA используется материал поддержки того же типа (и в ту же цену!!) что и материал построения, что экономически нецелесообразно.

Технология SGC

Технология SGC (Solid Ground Curing) - сложный, многошаговый процесс. С помощью специального тонера на стеклянной пластине создаётся изображение слоя, образующее его “фотомаску” - фотошаблон. Тонкий слой смолы, распределённый по поверхности рабочего стола, и нахо-дящийся над ним фотошаблон слоя, выстраиваются под ультрафиолетовой лампой. Лампа включается на несколько секунд, в результате чего отвердевает слой смолы, фотомаска которого использовалась в этот момент. Неотвердевшая смола удаляется, полости заполняются расплавленным воском, который быстро затвердевает. Построенный слой фрезеруется для получения гладкой поверхности и точной высоты слоя. Далее деталь вновь подвергается воздействию ультрафиолетового излучения для окончательного формирования слоя. Затем процесс повторяется: создаётся фотошаблон для следующего слоя, по рабочему столу распределяется новый слой жидкой смолы, и т.д. Основным провайдером технологии SGC является компания Cubital, выпускающая установки Solider 5600 и Solider 4600. Точность построения - 0.084 мм., скорость построения - 70 и 120 сек/слой, толщина слоя 0.1 - 0.2 мм. Компания Cubital была основана в 1987. Системы компании установлены в 14 странах мира. Первая SGC - система была установлена в США в 1991 году. На сегодняшний день около 50 крупных фирм США являются пользователями технологии и оборудования от Cubital.

Технология LOM

LOM-процесс (LOM - Laminated Object Manufacturing - изготовление объектов с использованием ламинирования) также включает в себя лазер, который вырезает контуры сечений по CAD-данным, слой за слоем. CAD - данные поступают в систему управления LOM - станком , где с помощью специального программного обеспечения создаются поперечные сечения детали. Луч лазера вырезает контур сечения в верхнем слое, а затем разрезает области излишнего материала для последующего удаления. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термоваликом и создается новое поперечное сечение, которое затем также вырезается. После того, как все слои будут изготовлены, избыточный материал удаляется вручную. После этого поверхность детали шлифуется, полируется или окрашивается

Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, преимуществом LOM моделей является надежность, устойчивость к деформациям и http://www.cubictechnologies.com/предельно эффективная стоимость, не зависящая от геометрической сложности. Владельцем технологии LOM и производителем оборудования является CubicTechnologies, Inc. (Helisys, Inc.). Штаб-квартира Helisys Inc. находится в Carson, California, USA. CubicTechnologies производит серии установок LOM - Paper, LOM Plastic, LOM Composite, для различных типов расходного материала.

Принтеры твердотелых объектов (3D Printers)

В своём большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести. Поэтому они заказывают свои модели на фирмах, специализирующихся на этих технологиях или услугах по прототипированию. Некоторые крупные компании покупают одну или две RP-установки, которые используются различными службами, что приводит к задержке изготовления моделей. Для многих специалистов, которые занимаются концептуальным проектированием и которым необходимо только взглянуть на деталь и затем продолжить разработку, очень важен фактор быстрого, недорогого и простого получения прототипов проектируемых изделий. Для той трети рынка RP, которой требуются прототипы для визу-альной оценки, начали производиться т.н. “принтеры твердотельных объектов” (Three Dimentional Printer - 3D Printer) - системы, которые строят физические модели движением материала из одной или нескольких струйных головок, подобно обычному принтеру. Как и традиционные RP-машины, 3D принтеры изготавливают физические модели, основанные на CAD-модели, используя в основном технологии струйного моделирования (воскообразные материалы) и технологии использования для формирования детали порошка, который затвердевает при помощи связывающего вещества на водной основе.

Обычно 3D принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких прототипов достаточно для визуализации разрабатываемого изделия. Стоимость таких установок колеблется от 35000, 50000 и до 100000 долларов, тогда как цена традиционных RP-систем начинается с 100000 долларов и доходит до 800000 долларов. Стоимость прототипов, изготовленных на 3D принтерах составляет, от 15 до 35 долларов. 3D принтеры более доступны, так как для их размещения не требуется специальных приспособлений и помещений, они могут размещаться непосредственно в офисе, у рабочего места конструктора. Кроме этого, 3D принтеры не используют вредные материалы или процессы. Средняя область построения для 3D принтеров составляет куб со сторонами 203 мм. Рассмотрим 3D-принтеры от Stratasys, ZCorporation и Objet Geometries. Принтер Genisys (Stratasys).

Этот концептуальный моделер изготавливает относительно прочные детали, используя разновидность технологии FDM (Fused Deposition Modelling), традиционно используемой системами Stratasys. Этот процесс включает в себя нагревание термопластического материала до температуры плавления и его выдавливание для формирования детали. Толщина каждого слоя составляет 0.014 дюйма (0.36 мм). Genisys предоставляет возможность расположения нескольких деталей одна в другой или одновременное размещение нескольких деталей в рабочей области. Это удобно при изготовлении нескольких вариантов детали в одно и тоже время.

Размер формируемой детали: 305х203х203 мм.

Скорость изготовления: 101 мм/сек. Программное обеспечение - AutoGen - соответствующим образом позиционирует 3D модель, послойно её разбивает, формирует поддержку (при необходимости) и начинает изготовление простой операцией “point and click” - “укажи и щёлкни мышью”. Точность изготовления 0.356 мм. Машина стоит в США около 55000 долларов.

Принтер Objet Quadra (Objet Geometries)

Семейство установок послойного синтеза пополнилось принципиально новым струйным 3D-принтером фирмы Objet Geometries Ltd (Израиль). Этот прибор при сравнительной простоте и дешевизне обеспечивает изготовление прототипов, сравнимых по качеству со стереолитографиче-скими моделями. Установка Objet Quadra менее требовательна к рабочему помещению и квалификации обслуживающего персонала. Как и в стерелитографии, модель выращивается из специального светоотверждаемого пластика, но засветка производится ультрафиолетовыми лампами, а "поддержки" формируются из материала, отличного от основного, чем обеспечивается легкость их удаления. Установка подключается в локальную сеть, по которой в нее передаются данные из CAD-программы.

Принцип действия принтера Objet Quadra заключается в следующем: тело физической модели печатается по компьютерной 3D-модели послойно, специальной струйной головкой, содержащей 1536 сопел, при этом тело модели печатается основным материалом, а вспомогательные элементы ("поддержки") - другим, менее прочным и более рыхлым. Оба материала отверждаются ультрафиолетовыми лампами. После печати каждого слоя рабочий стол, на котором выращивается модель, опускается на толщину слоя. В завершение процесса вспомогательные элементыhttp://www.2objet.com/ вымываются струей воды.

Системы ZPrint. Компания ZCorporation

Рассмотрим работу 3Dпринтеров на примере модели ZCorporation.

Фундаментальная цель трёхмерного принтера состоит в том, чтобы быстро преобразовать идею в физический объект. Эта идея обычно сначала воплощается в трёхмерной компьютерной модели, созданной в программном обеспечении САПР трёхмерных объектов, например: SolidWorks®, Autodesk® Inventor® или Pro/ENGINEER®.

Все эти программные средства экспортируют 3D-модели в виде файлов в стандартные форматы для трёхмерной печати, а именно: STL, WRL (VRML), PLY, 3DS и ZPR. Экспортируемый файл - это сетка или серия треугольников, ориентированных в пространстве, в которых заключен трёхмерный объём. Сетка должна быть «водонепроницаемой» так, чтобы модель была объёмным телом, а не только поверхностями, у которых нет никакой толщины. Другими словами, проект на этой стадии должен быть готов существовать в реальном мире, а не только на компьютере.

Теперь, когда файл существует в распечатываемом формате, можно запустить программное обеспечение ZPrint™ на своем ПК. Используя ZPrint, можно увеличивать или уменьшать масштаб объекта в файле, который требуется напечатать, ориентировать деталь в камере построения, а также давать указания трёхмерному принтеру для печати нескольких экземпляров детали в одном цикле построения (с изменениями или без).

Затем программа ZPrint разделяет файл трёхмерной модели на сотни цифровых поперечных сечений или уровней. Каждый 0,004-дюймовый (0,1-мм) сектор соответствует уровню модели, которая будет изготовлена в устройстве ZPrinter.

Когда все готово к запуску задания на печать, необходимо щёлкнуть кнопку «3D Print» (Трёхмерная печать). При этом файлы с цифровыми данными слоев будут отправлены на принтер ZPrinter, и немедленно начнется печать модели. ZPrinter печатает каждый уровень, один слой поверх другого, в результате чего внутри камеры построения в принтере создаётся физическая модель. Как только устройство ZPrinter завершит конечный уровень, будет запущен короткий цикл сушки. После этого физический объект можно извлечь из аппарата.

Рис. 1. Процесс трёхмерной печати

Краткий обзор системы

Процесс трёхмерной печати автоматизирован, и поэтому им может легко управлять любой пользователь. Однако многие узлы закрыты кожухом аппарата.

A. Автоматический воздушный фильтр: гарантирует, что весь порошок остается во внутреннем пространстве аппарата, а выходящий из него воздух является чистым и безопасным для помещения офиса и рабочей среды.

B. Картридж со связывающим составом содержит клей на водной основе, который делает порошок твёрдым.

C. Камера построения: область, в которой изготавливается деталь.

D. Каретка: перемещается вдоль портала для позиционирования печатающих головок.

E. Компрессор: производит сжатый воздух для удаления порошка с готовых деталей.

F. Фильтр обломочного материала: предотвращает попадание в бункер любых твёрдых частиц во время переработки порошка после построения, гарантируя чистое выполнение следующего цикла построения.

G. Электронный блок: бортовой компьютер, управляющий всеми операциями аппарата ZPrinter.

H. Портал: горизонтальная штанга, которая перемещается вперед-назад поперек каждого уровня построения.

I. Бункер: содержит порошок, из которого создаётся модель.

J. Резервуар: скапливает связывающее вещество из картриджей со связывающим составом и поставляет его в портал.

K. Станция обслуживания: при необходимости выполняет

чистку печатающих головок.

L. Вакуумный клапан: устройство управления системой распределения порошка для его всасывания из камеры построения, при переполнении, из блока удаления порошка или вакуумного шланга обратно в бункер.

Цикл трёхмерной печати

Процесс трёхмерной печати отличается чистотой и высокой автоматизацией. Все описанные здесь действия выполняются без вмешательства пользователя.

* Подготовка. После нажатия кнопки «3D Print» (Трёхмерная печать) в программе ZPrint принтер запустит стандартную процедуру подготовки к построению. Сначала будет прогрет воздух внутри принтера, чтобы создать оптимальную рабочую среду для трёхмерной печати. Одновременно с этим аппарат заполняет камеру построения 1/8-дюймовым (3,18-мм) слоем порошка, так чтобы детали после отделки оставались на нем для удобного извлечения. Аппарат может также запустить стандартную процедуру автоматической юстировки головки. Процедура включает в себя печать шаблона на порошке, чтение шаблона видеосенсором и соответственно юстировку собственных печатающих головок.

* Печать. После завершения стандартной процедуры подготовки к построению принтер немедленно приступит к печати слоёв, созданных в программном обеспечении ZPrint. Аппарат осаждает порошок из бункера в задней части устройства, нанося по ходу движения тонкий слой 0,004 дюйма (0,1 мм) поперек плоскости построения. Затем каретка печати перемещается поперек этого слоя, нанося связывающее вещество (и разноцветные чернила для цветной модели) в шаблон первого слоя, который был передан из программы ZPrint. В поперечном сечении модели связывающее вещество делает порошок твёрдым, оставляя остальную его часть сухим для переработки. В этот момент поршень, находящийся под камерой построения, опускает основание для порошка на 0,004 дюйма (0,1 мм), осуществляя подготовку к следующему слою. Цикл повторяется до тех пор, пока модель не будет завершена.

* Удаление порошка/переработка. По завершении печати модель на время оставляется в порошке для отверждения. По истечении времени отверждения аппарат автоматически удалит большую часть порошка вокруг модели, применив вакуумметрическое давление и вибрацию к основанию камеры построения. Свободно насыпанный порошок под пневматическим действием перемещается через систему, фильтруется и возвращается в бункер для последующих построений. Затем необходимо открыть переднюю панель аппарата и переместить деталь в камеру удаления остатков порошка. В ней деталь обдувается сжатым воздухом для удаления любых следов порошка (этот материал также автоматически всасывается обратно в аппарат ZPrinter и перерабатывается для последующего использования).

Весь порошок, попадающий в ZPrinter, со временем становится моделью. Ничто не выбрасывается и не теряется. Загрузка, удаление и переработка всего порошка является частью системы замкнутого цикла, в которой поддерживается отрицательное давление для всасывание в аппарат содержащихся в воздухе частиц.

Рис. 2

Когда пользователь щёлкнет кнопку «3D Print», ZPrinter прогреется, наполнит камеру построения конструкционным материалом и при необходимости автоматически отъюстирует собственные печатающие головки.

Рис 3. ZPrinter начинает создавать модель, нанося слой порошка.

Рис 4

Каретка печати перемещается поперек этого слоя, нанося связывающее вещество (и чернила для цветной модели) в шаблон первого слоя. Действия 3.2 и 3.3 будут повторяться до полного завершения модели.

В поперечном сечении модели связывающее вещество делает порошок твёрдым, оставляя остальную его часть сухим для переработки.

Рис. 5. Камера построения

После каждого уровня поршень, находящийся под камерой построения, опускает основание для порошка, осуществляя подготовку к следующему уровню.

Цикл продолжается до те пор, пока модель не будет завершена

По завершении печати модель на время оставляется в порошке для отверждения. По истечении времени отверждения аппарат, используя разреженное давление, автоматически удалит большую часть порошка вокруг модели и переработает его для последующих построений

Как только все следы порошка удалены с детали, её можно использовать в готовом виде или подвергнуть последующей обработке для дальнейшего упрочнения или улучшения отделки. Этот процесс называется пропиткой, и решение применять ли пропитку и каким образом её выполнять зависит от использования модели. Пропитывающие материалы - это вторичный полимерный материал, который обычно наносится аэрозольным способом или кисточкой. Пропитывающий материал заполняет микроскопические углубления в модели, уплотняя её поверхность, повышая насыщенность цвета и улучшая механические свойства в процессе обработки.

Рис. 6. Пропитка

Существуют различные варианты использования пропитывающих материалов в зависимости от потребностей. Эти варианты включают в себя воду для таких основных требований, как демонстрационные модели, закрепитель Z-Bond для концептуального моделирования общего назначения и эпоксидную смолу Z-Max для функциональных образцов или реальных деталей. Образцы с применением Z-Max использовались в качестве деталей производства в таких областях применения, как подводная робототехника, механическое истирание подошв для тестирования обуви, а также функциональные детали в отделениях рабочего двигателя.

Технология, в основу которой заложена скорость выпуска, доступность по цене, простота использования, точность и цвет

Скорость

Принтеры ZPrinter могут создавать модели со скоростью 1 вертикальный дюйм (25 мм) в час - это означает, что группа специалистов может напечатать несколько деталей карманного размера и высотой 2 дюйма (50 мм) всего за пару часов.

Было принято несколько кардинальных решений для данной технологии, чтобы достичь поставленной цели в отношении скорости. Сначала в качестве ориентира для технологии изготовления добавочных компонентов выбрали высокопроизводительную струйную печать. Это позволяет использовать в принтерах ZPrinter растровый (а не векторный) подход к трёхмерной печати. В растровой операции печатающая головка выполняет множество впрысков -- 300 на полдюйма (12,7 мм) -- что позволяет ей быстро покрывать полудюймовую (12,7 мм) полосу за каждый проход. В технологии моделирования с векторным подходом используется только одно сопло и требуется наносить краску на всё поперечное сечение детали по одной узкой линии за один раз. Растровый метод принтера ZPrinter сопоставим с современным струйным принтером для печати документов в сравнении с технологией плоттера в 1980-х годах. Плоттеры тщательно вырисовывают каждую строку каждого символа в каждом слове текста.

Вторым фактором скорости является метод распределения материалов для построения. Благодаря рассеиванию основного конструкционного материала (порошка) по плоскости, с которой начинается построение, вместо использования сопла для этой цели, печать с помощью принтера ZPrinter выполняется чрезвычайно эффективно и быстро. ZPrinter расходует через печатающие головки только связывающее вещество. Альтернативный подход - внесение 100% материала для построения через одно сопло (или даже несколько сопел) - занимает в пять раз больше времени. Кроме того, благодаря поддержке деталей с помощью свободно насыпанного порошка в процессе построения, принтерам ZPrinter не требуются разовые опорные элементы - колышки и стойки, которые поддерживают стенки, плоскости и выступы во время отверждения. Это значит, что на их конструирование не тратится время. Другим фактором, способствующим повышению скорости ZPrinter, является способность создавать несколько моделей за один цикл и устанавливать детали друг на друга в камере построения. Способность составлять несколько деталей для построения в сочетании со скоростью определяет производительность, которая является, возможно, самой важной мерой продуктивности. ZPrinter может создавать 15 моделей размером с бейсбольный мяч за один пятичасовой цикл построения. Благодаря своей производительности, ZPrinter 650 при круглосуточной эксплуатации может производить в месяц свыше 2000 образцов схожего размера.

Доступность по цене

Для того чтобы быстрое моделирование стало возможным для каждого проектировщика и инженера, трёхмерная печать должна быть доступной по средствам.

Средняя стоимость в размере 2-3 доллара США за дюйм3 (0,12-0,18 доллара США за см3) относится к кубическим дюймам (кубическим сантиметрам) твердотельной детали, а не пустого объёма в конструкции. Это означает, что создание модели 8,75 дюйма3 (143 см3) наподобие той, что изображена выше, обойдется в 22 доллара США.

Данное оборудование не нуждается в дорогих лазерах, сложных системах терморегулирования или особых требованиях к рабочему помещению.

Во-вторых, печать на принтере ZPrinter сочетает в себе низкую цену покупки с доступным по стоимости гипсовым порошком, широко используемым в других областях промышленного применения. ZPrinter максимально использует этот ресурс, преобразовывая каждую частичку в пригодный для использования образец.

В-третьих, предлагается широкий ассортимент пропитывающих материалов для различных видов применения, один из которых является фактически бесплатным. В разработанном процессе применения воды требуется только английская соль, разведённая в водопроводной воде и наносимая путём распыления на поверхность новой детали, печатаемой принтером ZPrinter. Для применения воды используются безопасные и нетоксичные материалы, которые не требуют никаких дорогих защитных контейнеров, вентиляции или специальных методов удаления отходов.

Учитывая все включённые расходы, общие затраты для законченных моделей составляют примерно 2-3 доллара США за куб. дюйм (0,12-0,18 доллара США за куб. см) для принтеров ZPrinter 350 и ZPrinter 450. Эта стоимость включает все переменные издержки, связанные с работой принтера и отделкой моделей: порошок, связывающее вещество, пропитывающий материал и даже заменяемую печатающую головку, используемую во время печати. Точная окончательная стоимость зависит от геометрии и выбора пропитывающего материала.

Простота использования

ZPrinter автоматизирует операции при выполнении почти каждого действия. Это подразумевает настройку, загрузку порошка, самостоятельный контроль наличия материалов и состояния печати, печать, удаление и повторное использование порошка. Принтер ZPrinter работает тихо, не производит жидких отходов, в его системе замкнутого цикла поддерживается отрицательное давление для удержания взвешенных в воздухе частиц. Картриджи для порошка и связывающего вещества обеспечивают чистую загрузку материалов для построения. Кроме того, интегрированная камера удаления мелкого порошка уменьшает занимаемое системой пространство. Все эти достижения означают, что не требуется никакого специального обучения, и затраты времени на операции вручную при эксплуатации 3D-принтера составляют всего лишь несколько минут.

Принтером ZPrinter можно управлять как с рабочего стола, так и непосредственно с самого аппарата. Программное обеспечение ZPrint позволяет контролировать уровни запасов порошка, связывающего вещества и чернил с рабочего стола пользователя, а также просматривать изображение с ЖК-экрана принтера. Встроенный дисплей и интуитивный интерфейс принтера дают возможность выполнять большинство операций непосредственно на устройстве. Кроме того, принтер ZPrinter в состоянии работать без присмотра во время процесса печати и требует пользовательского взаимодействия только для настройки и извлечения детали.

Цвет

Хотя геометрическая точность играет важную роль, возникают ситуации, когда необходимо увидеть образцы в реалистичном цвете. Кроме передачи представления о завершенности детали, цвет может информировать о результатах анализа методом конечных элементов (FEA), технологических переходах или отдельных деталях в узле. Его также можно использовать для печати текста, эмблем или технических обозначений на поверхности детали для упрощения идентификации.

В принтере ZPrinter способности к воспроизведению цветов реализуются с использованием той же технологии, которая применяется в принтерах для печати документов. ZPrinter преобразовывает любой цвет из палитры RGB (красный, зеленый и синий), используемой на ПК, в код цвета палитры CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный) для выполнения печати.

Затем он указывает правильное сочетание капель палитры CMYK, которое должно быть внесено в определенную область с использованием шаблонов сглаживания для смешивания этих элементов в какой-либо цвет.

Рис. 7. Способность струйных принтеров к воспроизведению цветов

Для печати в цвете программному обеспечению ZPrint в дополнение к информации о геометрии требуется файл, содержащий цветовую информацию. Так как формат файла с расширением STL не включает цвет, приняты несколько других форматов файла: 3DS, WRL (VRML), PLY, ZPR и другие, которые содержат цветовую информацию. Программное обеспечение ZEdit™Pro компании Z Corporation позволяет добавлять цвет, цветные текстуры и метки в файлы с трёхмерными моделями.

Эксплуатационные расходы при цветной печати удивительно приемлемы. ZPrinter окрашивает только оболочку объекта, а не скрытые внутренние объёмы, используя чернила только там, где это необходимо.

Мы инвестировали значительные средства в исследования и разработку, чтобы расширить диапазон (или палитру) цветов, которые можно воспроизвести. Как показано на рис. 6, способности Zprinter к воспроизведению цветов устойчиво расширялись, начиная с внедрения цветной трёхмерной печати в 2000. В настоящее время принтеры ZPrinter могут воспроизводить 90 процентов цветов палитры Adobe® Photoshop и однозначно распечатать любое сочетание цветов на одном объекте.

Недостатки

После печати требуется процесс очистки модели от порошка и обработка скрепляющим составом - процесс грязный и трудоёмкий. Необходим опыт чтоб делать это быстро и аккуратно. Весь процесс получения аккуратных моделей с четом послепечатной обработки затягивается и длиннее чем печать, скажем, на Objet. К тому же порошок на гипсовой основе хрупок. Модели предназначены только для визуализации или прямого литья. Пресс-формы после литья разрушаются и повторно использоваться не могут. При загрузке порошка, очистки моделей рабочее место пыльное, поэтому требуется хорошая вытяжка. Каждому типу порошка соответствует отдельный вид клея.

Таким образом, новые технологии изготовления прототипов позволяют значительно сократить сроки изготовления моделей для визуализа-ции, подгонки, изготовления оснастки и других применений, что обеспечивает: сокращение цикла разработки, улучшение дизайна, повышение качества, уменьшение цены продукта и производства, ускорение внесения изменений в конструкцию.

Быстрое изготовление прототипов стало важнейшей частью CAD/CAM - процесса. RP-технологии позволяют пользователям за короткое время проверить данные CAD-систем. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов. Повышается качество материалов и точность прототипов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP-системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора, повышая качество проектирования и сокращая время выпуска новой продукции.

Размещено на Allbest.ru