Материалы и технологии для 3D-печати

Материалы и передовые технологии создания прототипов

3D-моделирование и прототипирование сродни работе скульптора. Тысячи лет никого не удивляет, как из куска камня высекают произведение искусства. Почему же нам так необычно создание трёхмерного прототипа объекта – сначала моделирование на компьютере в специальной программе, а потом получение физического объекта.

Разработка изделий во многом уже стала цифровой: внедрены и активно используются системы автоматизированного проектирования, проводятся расчеты механических нагрузок, тепловые, газо- и гидродинамические расчеты. На основе этих расчетов за несколько итераций оптимизируется конструкция, что значительно снижает количество изготавливаемых прототипов и опытных образцов.

Если осуществление разработки уже оцифровано, то производство только активно начинает этот процесс. Важно, что концепция применения цифровых методов производства включает в себя традиционные и аддитивные технологии, в частности, механообработку с применением обрабатывающих центров с числовым программным управлением 3D-печать металлами и полный цикл постобработки, компьютерной томографии и 3D-сканирование, другие современные технологии контроля и испытаний, компьютерное моделирование и оптимизацию технологических процессов, которая открывает новые возможности в проектировании и производстве и обеспечивает значительные преимущества.

Выделяют следующие основные преимущества внедрения цифровых технологий производства:

• Гибкость проектирования: возможность получения деталей сложной, развитой формы с внутренними каналами, с бионическими элементами и сетчатыми структурами. Объединение нескольких деталей в одну.

• Гибкость производства: не требуется оснастка (литьевые формы, выжигаемые модели), возможна быстрая переналадка на другие типы материалов.

• Уменьшение сроков разработки и выхода на рынок: полная поддержка гибких методик разработки (Agile, Scrum) за счет быстрой верификации результатов проектирования на прототипах и опытных образцах.

• Быстрое прототипирование благодаря коротким производственным циклам.

• Снижение массы, материалоемкости t1: перепроектирование изделий под аддитивные технологии позволяет уменьшить количество материала в механически малонагруженных участках деталей, а сетчатые и бионические конструкции обладают высокой удельной прочностью.

• Высокий коэффициент использования материалов: не сплавленный порошок просеивается после печати и может десятки раз повторно использоваться без потери как собственных свойств, так и свойств продукции.

• Уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду: снижены отходы и выбросы вредных веществ.

Прототип — это 3D-модель или макет изделия, созданный для тестирования и оценки его функциональности и внешнего вида. Существует несколько видов прототипов.

Виды прототипов

• Функциональные прототипы - используются для проверки работоспособности изделия. Они позволяют убедиться, что прототип выполняет свои функции.
• Визуальные прототипы - сосредотачивают внимание на внешнем виде и дизайне продукта. Они помогают визуализировать конечный продукт.
• Концептуальные прототипы - создаются на ранних стадиях разработки, чтобы продемонстрировать идею или концепцию продукта.
• Прототипы дизайна - фокусируются на деталях дизайна и структурных аспектах. Они помогают определить лучшие дизайнерские решения.

Существует несколько направлений моделирования и прототипирования.

• Промышленное. Точность и качество – главные требования, которые предъявляют при моделировании промышленных объектов – деталей для узлов и механизмов.
• Презентационное. Широко используется там, где необходимо выигрышно показать внешние данные объекта.
• Товарное. Это создание выставочного образца продукта и/или его упаковки.
• Транспортное. Печать образцов для авиа- и космической промышленности, разного рода водного, воздушного и сухопутного транспорта.

Этапы прототипирования

Для создания модели в объёме необходимо провести следующие работы:

• Сбор требований - определение целей и параметров прототипа, а также его технических характеристик.
• Проектирование - разработка концепции прототипа и выбор метода создания.
• Моделирование - создание трехмерных моделей изделия с помощью специальных программ.
• Тестирование и доработка - проверка прототипа на соответствие требованиям и внесение изменений, если необходимо.
• Изготовление - создание физической модели, чаще всего с использованием 3D-принтера или других современных технологий.

Для быстрого получения результата необходимо:

• создать цифровую модель требуемой детали или изделия при помощи CAD-систем;
• при необходимости, провести инженерные расчеты конструкции или узла с применением CAE – программ;
• изготовить прототип с применением CAM-систем и цифровых методов производства;
• провести тестирование прототипа.

3D-модели разрабатывают, используя математическое моделирование в CAD-программах, или получают данные для построения модели в процессе 3D-сканирования образца детали. Когда модель создана, по ней изготавливают прототип.

Различают несколько методов изготовления изделий с применением цифровых технологий производства. ТБП относится к способу добавления материала (аддитивный метод), а не к «убиранию лишнего материала от заготовки» как в случае с механической обработкой.

Различают ТБП по виду расходных материалов для производства прототипов:

• жидкость;
• порошок;
• листы твёрдого материала.

Жидкие материалы обычно послойно распыляют с отверждением – технология Ballistic Particle Manufacturing (BPM) или стереолитография. Порошок – чаще металлический – спекают лазером –Selective Laser Sintering (SLS). Листовой твёрдый материал склеивают – технология Laminated Object Modeling (LOM).

Технология послойного плавления пластиком (полимером) FDM (Fusing Deposition Modeling) или FFF.

Методы промышленного прототипирования

Промышленно создать трёхмерный объект можно двумя способами:

• с помощью фрезерования;
• с помощью 3D-принтера.

Первый вариант – наиболее прост, доступен и востребован, но имеет ограничения по форме изделия. Второй вариант – позволяет получить прототип любой степени сложности из металла, пластика и древесины, но на это потребуется больше времени.

Сейчас, пожалуй, нет области человеческой деятельности, где уже не используется или скоро станет привычным прототипирование. Макетирование в разных областях науки, техники, развлечений, визуализация архитектурных или строительных объектов (макеты зданий), натуральное изображение различных предметов, промышленность (для разработки новых машиностроительных изделий), медицина (для создания протезов, моделей органов и медицинского оборудования), проектирование товаров (для разработки новых продуктов и усовершенствования их дизайна) и прочее.

Требования к прототипам

Правила, согласно которым изготавливается прототип, определяют, что он должен:

• чётко и ясно изображать то, что он собой представляет;
• точно отражать заданные размеры и форму;
• конкретно выполнять свои функции;
• быть достаточно прочным, чтобы выдержать нагрузки, соответствующие его предназначению.

Создание 3D-моделей происходит на компьютере в специализированных CAD-программах. В данный момент рынок ПО насыщен многочисленными решениями.

Важно, чтобы ПО позволяло:

• не только моделировать трёхмерную графику, но и разрабатывать сцены и объекты;
• визуализировать модель;
• редактировать полученный результат.

Особенности 3Д моделирования деталей и механизмов

Если при макетировании объектов для презентации, специалист обращает много внимания на внешний вид, то при создании прототипа деталей и механизмов необходимо учитывать свойства материалов, из которых будет в дальнейшем сделана деталь. Прототипирование позволит уже на этапе проектирования и создания модели отработать нюансы и исправить недостатки, а применение современных CAE-систем для инженерного анализа позволит оптимизировать конструкцию и определить её возможные недостатки ещё на этапе проектирования.

Материалы для прототипирования

Пластики для 3D принтеров обычно классифицируются по 3 категориям: механические характеристики, визуальное качество и пригодность к постобработке. Далее мы разобьём эти категории, чтобы нарисовать более четкую картину свойств полимеров. Выбор материала зависит от того, что пользователь хочет напечатать, поэтому перечислим ключевые критерии, необходимые для выбора материала, кроме стоимости:

Пластик PLA

Ключевые критерии для PLA пластика

PLA (полилактид, полимолочная кислота, биоразлагаемый полиэфир) - самый простой полимер для печати и обеспечивает хорошее визуальное качество полученных деталей. Он довольно твёрдый, но на деле очень хрупкий и не подходит для использования в работающих механизмах. Обладает нулевой усадкой.

Плюсы:

- био-разлагаемый;

- не имеет запаха;

- пригоден для обработки шлифовальной бумагой и покраске акриловыми красками;

- устойчив к ультрафиолету.

Минусы:

- впитывает влагу;

- не легко склеивать.

Пластик ABS

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) – ударопрочный пластик, применяемый для печати функциональных деталей и долговечных механических изделий. Для построения моделей требуется 3D-принтер с закрытой камерой. Материал плавится при температуре 210-245 градусов, обладает средней межслойной адгезией и средней адгезией к печатной платформе. Температура стола – 90-120 градусов.

ABS обычно выбирается вместо PLA, когда требуется более высокая термостойкость и более высокая прочность.

Плюсы:

- можно обрабатывать парами ацетона для получения глянцевой поверхности;

- можно обрабатывать шлифовальной бумагой и красить акриловыми красками;

- ацетон также может быть использован в качестве сильного клея;

- хорошая стойкость к истиранию.

Минусы:

- чувствительность к ультрафиолету;

- запах при печати;

- потенциально высокие выбросы дыма.

Пластик PET

PET (PETG, полиэтилентерефталат-гликоль) - более мягкий полимер, который обладает более интересными свойствами, но с оговоркой на некоторые существенные недостатки. Это достаточно ударопрочный материал, подходящий для использования в домашних условиях. Степень его межслойной адгезии настолько высока, что под воздействием повышенных нагрузок готовые изделия чаще ломаются не вдоль, а против слоев. Из этого пластика можно изготавливать прочные изделия с тонкими стенками, а также втулки, шестерни и другие детали механизмов. При печати с применением PET температура экструзии должна составлять 215-245 градусов, температура рабочего стола – 20-80 градусов, обдув – 20%.

Ключевые критерии для PЕТ пластика

Плюсы:

- отсутствие усадки, высокая точность размеров;

- отсутствие запаха при печати;

- возможность печати в открытом пространстве;

- сильное спекание между слоями;

- устойчивость к ультрафиолетовым лучам, влагостойкость, химическая стойкость;

- широкий диапазон рабочих температур;

- ударопрочность, хорошее скольжение;

- нетоксичность (в том числе при контакте с пищевыми продуктами);

- возможность покраски акриловыми красками и обработки шлифовальной бумагой;

- возможность вторичной переработки;

Минусы:

- высокая температура печати;

- высокая текучесть;

- более низкая прочность и температура размягчения в сравнении с ABS;

- более высокая сложность в работе по сравнению с PLA и ABS.

Пластик TPU

TPU (модификация TPE) – термопластичный полиуретан, широко используемый в промышленности. Имеет более высокую жесткость в сравнении с TPE, долговечен, сохраняет эластичность при охлаждении.

TPU – это гибкий пластик. В основном он используется в деталях, которым необходима эластичность, но его очень высокая ударопрочность может быть использована и для других применений.

Ключевые критерии для TPU пластика

Плюсы:

- хорошая стойкость к истиранию;

- хорошая стойкость к маслам и жирам.

Минусы:

- сложно подвергается постобработке;

- трудно склеивать.

Нейлон (Nylon)

Нейлон имеет отличные механические свойства и, в частности, лучшую ударопрочность для негибкой нити. Но могут возникнуть, и обязательно возникнут, если не позаботиться о специальном клее, проблемы как с адгезией к платформе, так и между слоями.

Ключевые критерии для нейлона

Плюсы:

- хорошая химическая стойкость;

- большая прочность.

Минусы:

- впитывает влагу;

- потенциально высокие выбросы дыма.

Пластик Поликарбонат (PC)

PC (поликарбонат) – очень прочный прозрачный материал, устойчивый к физическому, температурному воздействию и выдерживающий нагрев до 110 градусов. Применяется при изготовлении масок для аквалангов, бронестекол, для остекления парников и т.д. Температура экструзии – 270-310 градусов, рабочей поверхности – 90-110 градусов. Адгезия к столу – низкая, межслойная – высокая.

PC может сыграть роль интересной альтернативы ABS. Их свойства достаточно схожи.

Ключевые критерии для пластика поликарбоната

Плюсы:

- легко обрабатывать (шлифование).

Минусы:

- чувствительный к ультрафиолету.

На сегодняшний день в технологиях 3Д-печати и прототипирования используются десятки пластиков различных составов и свойств, однако зачастую выбор падает на более простые и доступные так данные технологии разрабатывались для того, чтобы упрощать производственные процессы.

Это была первая часть лекции по 3Д-печати и прототипированию. Подписывайтесь, чтобы узнать больше ;)