 |
Глава 2. Технологии печати
|
|
|
|
Оглавление
Введение. 3
Глава 1. 3D-принтер. 4
1.1 Классификация 3D-принтеров. 5
Глава 2. Технологии печати. 10
2.1 Лазерные технологии печати. 12
2.2 Струйные технологии печати. 16
2.3 Новые технологии печати. 19
Заключение. 22
Список использованных источников. 23
Введение
С каждым днем в мире выпускают новые технологии. И каждая новая идея человечества это небольшой шаг в будущее. Технология, с помощью которой осуществляется печать объемной геометрии, существует совсем недавно. Но в последнее время проводится активное тестирование в разных условиях и отраслях. Все это должно привести к тому, что через несколько лет 3D-принтеры будут доступны для большинства людей.
3D моделирование является неотъемлемым этапом разработки сложных технологических или архитектурных форм. В недалеком прошлом, изначально разрабатывалась объемная модель в электронном виде, которая впоследствии воплощалась в реальной твердотельной копии. Этот процесс требовал значительных денежных и временных затрат.
В настоящее время процесс создания физической 3D копии виртуальной модели значительно упрощен благодаря устройствам быстрого прототипирования, также известных как 3D-принтеры. А процесс создания обьемной этой модели называется 3D-печатью.
Разработка методов 3D печати началась в средине 80-х годов. Практически через пару лет на рынке начали появляться первые модели 3D принтеров, однако широкую популярности они обрели в средине 2000-х, когда уже сформировалось то огромное количество разных принципов, по которым работают воспроизводящие большие модели устройства. Их стоимость стала ниже, а на рынке возникли первые серийные модели.
|
|
|
Целью данной курсовой работы является исследование 3D-принтеров и технологий их печати.
Задачи курсовой работы:
· на основе анализа литературы пояснить основы 3D печати;
· рассмотреть классификацию и технологии 3D-принтеров.
Глава 1. 3D-принтер
Прежде всего, нужно пояснить, что такое 3D-печать. С обычным принтером – лазерным или струйным – знакомы все, у многих такой принтер есть дома. Это удобно: в течение нескольких минут можно легко и просто получить на бумаге оттиск рисунка или текста (в том числе цветной), по качеству не уступающий продукции хорошей профессиональной типографии и вполне доступный по цене.
3D-принтер способен сделать то же самое уже не в виде бумажной распечатки, а в виде реального изделия – от украшений и фурнитуры для одежды до мелких предметов быта, запчастей, деталей, заводской оснастки и даже готовых изделий вплоть до архитектурных сооружений. Главный принцип в работе 3D-принтера – вместо обычного для большинства производственных операций «срезания лишнего» нужная деталь (а то и вся сборка целиком) «синтезируется из ничего», выращивается слой за слоем согласно созданной при помощи компьютера трехмерной модели.
Технологии такого синтеза могут быть различными. Это может быть лазерная стереография, когда твердый материал в требуемых участках детали наращивается за счет отвердевания жидкого исходного вещества под действием лазерного облучения либо за счет сплавления лазером металлического порошка в монолитный материал. Некоторые модели устройств 3D-печати используют порошок-наполнитель, склеиваемый каким-либо жидким связующим (например, быстро застывающей полимерной смолой). В простейшем случае в качестве исходного вещества используется пластмасса, подаваемая в «печатную головку» в виде непрерывного тонкого прутка: пластмасса плавится нагревом, очередной ее тонкий слой в вязком виде наносится на предыдущие слои, охлаждается, отвердевает и становится основой для нанесения следующего слоя. А если использовать, кроме основного («конструкционного») материала, также дополнительное вещество, которое можно после изготовления изделия попросту смыть каким-либо растворителем (хотя бы обычной водой), то появляется возможность за счет «программирования» размещения в изделии полостей сразу, «за один проход» послойно выращивать различные шарнирные сборки из нескольких деталей, в том числе сплошные, а не разъемные.
|
|
|
Революционность такого способа изготовления изделия – не только в уменьшении количества промышленных отходов (поскольку неиспользованное исходное вещество может быть собрано и пущено в дело при изготовлении следующей детали) или в том, что выращиваемая таким способом деталь может (с учетом разрешающей способности устройства 3D-печати, которая, впрочем, достаточно высока даже у сравнительно дешевых моделей, предназначенных для домашнего и учебного использования) иметь принципиально любую форму, в том числе с любыми внутренними полостями, получить которые традиционными методами крайне сложно или вообще невозможно.
Классификация 3D-принтеров
Потребительский
Тип принтеров, который предназначен, в основном, для личного использования (рис. 1). Поставляется в виде конструктора, либо в сборе. Подавляющее большинство моделей принтеров такого типа являются производной от open source проекта RepRap[1] [3]. Так как платформа у них, в основном, одна и та же, их характеристики тоже весьма схожи.
Спроектированы для обычного пользователя и оборудованы довольно простым и понятным интерфейсом. Печатают, как правило, ABS (Акрилонитрилбутадиенстирол – ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом) и PLA (Полилактид – биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир) пластиком [9]. Сложные и высокоточные объекты напечатать будет довольно проблематично, но обычные поделки они печатают с легкостью, хоть и долго.
Такие принтеры ориентированы на дизайнеров, художников и изобретателей, которые работают дома.
Рисунок 1- Принтер фирмы Ultimaker
|
|
|
Персональный
Пограничный класс принтеров, который является домашним, но в то же время относится к нижней ступени промышленных принтеров для бизнеса (рис. 2). Эти устройства имеют много общего с потребительским классом, но обладают более высоким качеством и точностью печати, которые присущи профессиональным 3D принт-системам. Появление таких принтеров, это скорее реакция крупных производителей на растущий рынок домашних систем. Учитывая низкую точность потребительского класса, поставщики предложили уменьшенные модели профессиональных систем с близкими к ним показателями [6].
Оперировать принтерами этого класса так же просто и сводиться к загрузке образа и нажатию кнопки «пуск». В то же время это ограничивает возможности в плане различных дополнительных параметров печати.
Пригодны для использования в офисах, однако шумность и высокий температурный режим некоторых моделей предполагает их размещение на некотором удалении от рабочей зоны. Легкость очистки объектов на выходе не была перенесена в этот класс с промышленных моделей, поэтому логичным было бы размещение их в отдельном рабочем пространстве.
Ориентированы
 |
на малый бизнес с небольшим бюджетом, но у которого есть потребность в периодическом использовании 3D-печати. Это могут быть инженерные компании, дизайн студии, маркетинговые агенства.
Рисунок 2 – Принтер фирмы MakerBot
Профессиональный
Системы этого класса уже не выглядят компактными, а скорее похожи на большие холодильники (рис. 3). Это основа технологии 3D печати, которая включает в себя все достижения и возможности доступные индустрии. Предназначение профессиональных систем может быть очень разным, от прототипирования до полномасштабного производства, что в свою очередь делает их отличным вариантом как для крупного бизнеса, так и для высокотехнологичных компаний с малым штатом сотрудников.
В отличие от своих малых братьев, данные принтеры, ввиду большого количества режимов и дополнительных опций, уже требуют определенных навыков для работы с ними, поэтому без оператора здесь не обойтись.
|
|
|
По части рабочего пространства здесь тоже не все так просто. Они очень большие и шумные, поэтому требуют отдельного помещения с хорошей вентиляцией. Требования к помещению различаются, но пространство должно быть чем-то вроде лаборатории и с подведенной высоковольтной линией.
На выходе мы получаем универсальную 3D принт-установку, которая предоставляет высочайшее качество печати и увеличенные, по сравнению с младшими классами, размеры продукта.
Такие принтеры ориентированы на компании, у которых присутствует постоянная потребность в прототипировании, моделировании, изготовлении разного рода объектов с высокими показателями качества и точности.
Рисунок 3 – Оборудование фирмы EOS
Производственный
Эти машины являются совокупностью точности и качества профессиональных принтеров, большой площадью печати, высокого уровня автоматизации и контроля процессов (рис. 4). На них, как и на профессиональных установках, можно печатать не только прототипы, но и конечный потребительский продукт.
Системы такого рода не предназначены для рядовых пользователей, а суммы, которые придется вложить в такое производство требуют опытного оператора, который заставит работать весь механизм 24 часа в сутки без простоя. Малыми помещениями уже не обойтись. Здесь нужно четко спланировать будущую линию и позаботиться о подводе высоковольтной линии и газовой трубы.
На выходе получиться высокотехнологичное производство, которое может быстро менять профиль и использовать материалы от ABS пластика до титана.
 |
Машины ориентированы на компании с потребностью в производстве высокоточных продуктов большого размера, либо на компании с потребностью в производстве большого количества менее объемных предметов с высокой точностью и высоким уровнем качества [6].
Рисунок 4 – Машины фирмы Voxeljet
Глава 2. Технологии печати
Первое, и самое основное применение технологий трехмерной печати, в индустрии - для быстрого изготовления прототипов, чтобы посмотреть, как модель будет выглядеть в материале. По словам представителя авиакосмической компании Pratt & Whitney "стоимость разработки сложного продукта может очень сильно снизиться, если предложить инженерами вместо десятков чертежей посмотреть на реальную деталь".
Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Более того, прототипы позволяют проводить такие тесты, которые на готовом изделии и не проведешь. Например, Porsche использовала прозрачную пластиковую модель трансмиссии 911 GTI для изучения тока масла в процессе ее разработки. Однако главное, такую модель можно сделать очень быстро - а в наше время высоких скоростей это очень важно. Собственно, существует целая индустрия быстрого прототипирования (Rapid Prototyping - RP), которая как раз и занимается разработкой и использований технологий объемной печати для этих целей.
|
|
|
Однако, прототипы - это еще не все. Следующая ступень - быстрое производство. Уже сейчас некоторые технологии RP позволяют изготовлять готовые предметы из различных материалов. Это идеальное решение для малосерийного производства, поскольку стандартный техпроцесс дает возможность сделать что угодно (в разумных пределах, конечно) за относительно небольшое время. Опять же, некоторые из технологий трехмерной печати позволяют быстро изготовлять формы для литья - ну а дальше производственный процесс уже накатан. Правда, цены и доступность (равно, как и выбор материалов) пока оставляют желать лучшего.
Но в перспективе, кто откажется от возможности быстро сделать какую-нибудь нужную мелочь в домашних условиях. Собственно, тут можно провести прямую аналогию с системами на FPGA, совершившими настоящую революцию в электронике. Технология FPGA позволяет описывать электронные схемы на компьютере, а затем быстро реализовывать все описанное в стандартной микросхеме. Тот же быстрый прототайпинг, но для электроники. Причем, если раньше все это было достаточно дорого и сложно, то теперь, при желании, можно изготовить все что угодно - микропроцессор, DSP (цифровой сигнальный процессор), микроконтроллер - практически в домашних условиях. Объемная печать позволит, в перспективе, сделать то же самое с обычным производством.
Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования по z-координате. Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку. Построение детали происходит послойно до тех пор, пока не будет получен физический прототип.
Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может оказаться, что отдельные элементы "повисают" в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек на каждый такой элемент.
Основным различием между технологиями прототипирования является расходный материал, а также способ его нанесения. В мире существует всего несколько компаний, изготавливающих RP-установки, они постоянно совершенствуют технологию и разрабатывают новые материалы. Остановимся на самых основных технологиях, рассмотрим их характеристики, достоинства и недостатки.
|
|
|
