 |
Приложения
|
|
|
|
354
Допустим, вам нужно изготовить объ- ёмную модель колобка.
Для изготовления колобка из бумаги с использованием аддитивных технологий вам понадобятся: принтер, пачка бумаги, ножницы, клей. Пусть колобок будет вы- сотой с пачку бумаги. В пачке бумаги
500 листов. На первом листе печатаем очень маленький кружок — практически точку. На втором листе кружок будет чуть больше точки (на толщину листа бумаги), на третьем листе чуть больше, чем на вто- ром, и так 250 (половина пачки бумаги) кружков, увеличивающихся в диаметре.
Рис. 9. 37. 3D-модель из фанеры
Вторую половину кружков нужно повторить в обратной последователь- ности, уменьшая их размеры.
После этого вырезаем все кружки и склеиваем в определённом по- рядке (если хватит терпения! ).
Мы разобрали технологию изготовления простейшего 3D-объекта методом вырезания из листов. Не обязательно использовать бумагу, можно взять, например, фанеру.
Можно выпилить лобзиком из фанеры заготовки, а если есть доступ к лазерному резаку, то лазером и склеить все слои, получив деталь (рис. 9. 37). В промышленной установке процесс вырезания и наклеива- ния, конечно, происходит автоматически — это делает робот по соот- ветствующей программе.
Можно сделать модель колобка с помощью термопистолета с клее- вым стержнем. Сначала поставить точку-капельку, потом сделать чуть больший диск вторым слоем, потом сделать
третий слой чуть большего диаметра и т. д. Но скорее всего, изготовить колобок боль- шого диаметра не удастся.
Кроме того, вы вряд ли сможете создать термопистолетом концентрические окруж- ности ровно и аккуратно. Поэтому колобок в ручном режиме изготовления получится не очень товарного вида.
|
|
|
Ситуацию можно исправить, заменив термопистолет 3D-ручкой (рис. 9. 38). Благо и разноцветных пластиков сейчас суще-
ствует множество на любой вкус. Рис. 9. 38. 3D-ручка
3D-ручка — это инструмент, способный рисовать в воздухе. И это никакое не волшебство, а всего лишь очередная аддитивная технология в области 3D-моделирования.
Принцип работы 3D-ручки достаточно прост — вместо чернил руч- ка заправляется пластиковой нитью, при нажатии на кнопку рас- плавленный материал выдавливается через керамический носик на- ружу.
С использованием такого устройства теперь можно «рисовать» не на бумаге, а сразу в пространстве! И недостатки точного моделирования могут стать достоинствами авторской работы.
Для промышленных же 3D-принтеров проблемы устойчивости и смещения при изготовлении требуют обязательного решения. Чтобы изготавливаемая фигура была устойчивой и не сместилась при изго- товлении, заранее, ещё на этапе проектирования и разбивки слоёв, размещают тоненькие подпорки, которые потом надо удалять вруч- ную. А чтобы внешний вид детали был ровный и аккуратный, исполь- зуют качественные двигатели, которые перемещают плавильную го- ловку строго по заданным координатам.
Подобный принцип положен в основу работы наиболее распро- странённых принтеров с технологией ниточной печати (рис. 9. 39).
Спроектированная деталь создаётся из ниточного полимера, намо- танного на катушку, как нитка на шпульку в швейной машинке. Поли- мерная нить подаётся в термоголовку, где плавится и выдавливается
через сопло в нужное место. Такую головку называют экструдер (от лат. extrusio — вы- талкивать).
В конструкции принтера обязательно есть два мотора для перемещения головки экструдера по осям X и Y в нужное место на плоскости. А перемещение по оси Z (вверх- вниз) может быть организовано по-разно- му: либо рама с головкой поднимается всё выше и выше по слоям, либо опускается вниз платформа, на которой располагается
|
|
|
«выращиваемая» деталь.
С помощью таких принтеров невоз-
Рис. 9. 39. 3D-принтер ниточной печати
можно вырастить большую деталь с толсты- ми стенками. При остывании детали испы-
356
тывают термическое напряжение, и деформа ция большой детали может сделать её непригодной в использовании.
Для создания больших деталей использу ют порошковые принтеры (рис. 9. 40). Прин цип формирования детали заключается в сле дующем: пластмассовый порошок насыпа ется в лоток и лучом лазера проводится контур. Под действием лазера порошок плавится, спе кается, а сверху насыпается и разравнивается новый слой порошка. И так в цикле, слой за слоем, спекается нужная деталь. При тех нологии порошкового спекания подпорки
Рис. 9. 40. Порошко вый 3Dпринтер
не нужны, потому что каждый следующий слой опирается на пре дыдущий. Таким образом, можно проектировать и изготавливать, на пример, модели мостов с достаточно большими пролётами между опо рами.
Вместо пластмассы можно спекать порошок керамики. В этом слу чае, правда, мощность лазера, который плавит порошок, должна быть су щественно выше, чем при использовании легкоплавкого пластика. Кера мическая деталь может быть использована в машине или механизме. Она способна выдерживать очень большие нагрузки.
Подумайте, можно ли вместо керамического порошка использовать металлический? Сможет ли принтер напечатать нужную нам деталь, упростив тем самым технологию литья?
Для того чтобы напечатать металлическую деталь, металл в принте ре должен быть разогрет до такой степени, чтобы энергии луча лазера было достаточно для перевода металла из твёрдого состояния в жидкое. Каждая крупинка металлического порошка должна быть наподобие снежка. Если снежок с силой кинуть в стену, он немного деформируется и прилипнет к стене. Так же и с металлом: каждая крупинка должна прилипать, но при этом не плавиться до жидкого состояния и быть го товой принять сверху следующую крупинку. При этом все крупинки должны быть точно в нужном месте, чтобы деталь, полученная таким способом, точно отвечала заданным параметрам и её не приходилось потом подтачивать, шлифовать или ещё както обрабатывать. Как вид но, в современных технологиях 3Dтипирования вряд ли возможно ис пользование металлического порошка.
|
|
|
Рис. 9. 41. Схема 3D-печати методом стереолитографии
В общем, есть ещё очень много загадок, которые предлагает нам природа. Для их разгадки необходимо провести множество исследова- ний и экспериментов. Только после этого технология 3D-печати сможет войти в наш повседневный быт, чтобы поменять его.
Так, в магазине автозапчастей достаточно будет выбрать по каталогу нужную деталь, и магазин изготовит её прямо при вас. Или космонавты в случае необходимости высылают запрос на нужную деталь и выращи- вают её 3D-модель на своём принтере.
Часть такого футуристического будущего уже реализована, напри- мер, в виде кондитерских принтеров. Уже сегодня повар может изгото- вить шоколадный пирожок с помощью принтера, который печатает шо- коладной ниткой.
Ещё один способ 3D-печати — стереолитография — затвердение жидкого полимера под воздействием ультрафиолетового лазера. Лазе- ры, в отличие от обычного фонарика, испускают луч строго определен- ного цвета. Под воздействием ультрафиолетового света некоторые по- лимеры из жидкого состояния переходят в твёрдое (рис. 9. 41).
В данном принтере используется не нитка и не порошок, а ванна, в которую налит жидкий полимер. Внутри ванны перемещается плат- форма, на которой закрепляется первый слой выращиваемой детали. Сначала такая платформа находится в самой верхней точке. Луч лазера в соответствии с заданной программой проходит по поверхности жид- кости. Там, где он прошёл, получается твёрдый слой. Когда все контуры рабочего слоя лазером пройдены, платформа опускается на толщину отвердевшего полимера. Жидкость натекает новым слоем, и процесс обработки лазером повторяется в цикле.
358
Преимущество использования ме- тода стереолитографии заключается в том, что позволяет использовать ма- териалы, которые не отторгаются жи- вым организмом. Значит, их можно вживлять прямо в тело живого суще- ства. Такие опыты уже проводятся на мышах и свинках. Когда технология вживления искусственно изготовлен- ных органов пройдёт апробацию, мож- но будет поднять на новый уровень хи- рургическую медицину.
|
|
|
Рис. 9. 42. Применение
3D-принтеров в строительстве
Особая тема — 3D-принтеры, используемые в строительстве жилых домов и промышленных объектов (рис. 9. 42). Основные трудности соз- дания строительных деталей методом 3D-типирования связаны с их большими размерами, а значит, принтер должен иметь мощный мотор. Следует также учитывать, что время отвердевания строительной смеси должно быть малым, чтобы следующий слой не раздавил предыдущий и чтобы смесь, подаваемая в экструдер, не застывала «на лету». У этой технологии огромное будущее, поскольку жилищная проблема стоит очень остро не только в нашей стране.
В настоящее время 3D-технология завоёвывает всё больше и боль- ше места в нашей жизни. Она используется в машиностроении, проек- тировании, архитектуре, дизайне, медицине, строительстве, пищевой промышленности, биологии и других областях.
 |
? Вопросы и задания
1. Что такое аддитивные технологии?
2. В чём заключается принцип трёхмерного моделирования?
3. Какие бывают 3D-принтеры?
Рис. 9. 43. Объёмные модели
Задание 1
Создайте 3D-модель, используя плоские листы фанеры или гофрирован- ного картона (рис. 9. 43). Сделайте эскиз, разработайте отдельные детали, со- берите модель и предложите её к использованию.
Задание 2
Постройте объёмную модель, используя 3D-ручку. Создайте два варианта модели: построение в пространстве и построение на плоскости с последую- щей сборкой трёхмерной модели.
Идеи творческих проектов
Идея 1. «Есть ли жизнь на Марсе? » — проектирование и создание моделей внеземных станций.
Идея 2. «Горячее лето» — использование робототехнических устройств для предупреждения и ликвидации последствий стихийных бедствий: пожаров, извержений вулканов, землетрясений и т. д.
Идея 3. «Гонки роботов» — проектирование и разработка моделей роботов для различных робототехнических соревнований.
Идея 4. «Сам себе дизайнер» — работы, связанные с разработкой и дизайнерским оформлением внешнего вида роботов, проектировани- ем эргономичного и эстетичного внешнего оформления роботов.
Идея 5. «Не кочегары мы, не плотники... » — разработка ходо- вой модели робота-андроида.
Идея 6. «Я леплю из пластилина... » — работы, связанные с адди- тивными технологиями — проектирование 3D-моделей и их реализация на платформе 3D-принтера, с помощью 3D-ручки, ручным способом.
|
|
|
ПРИЛОЖЕНИЯ
|
|
|
