Создание изделий из полимерных материалов с помощью 3D-печати является одной из самых стремительно развивающихся технологий. Она позволяет эффективно и быстро формировать конструкции различной геометрии, используя расплавленный пластик, который наносится слоями и застывает, постепенно формируя трехмерный объект. Несмотря на свои преимущества, 3D-печать сталкивается с определенными трудностями, особенно когда детали имеют нависающие элементы или располагаются под значительным углом. В таких случаях новый слой пластика может нависать над пустым пространством, не опираясь на предыдущий, что приводит к провисанию и деформации всей детали. Особенно остро проблема ощущается при создании крупногабаритных изделий, поскольку традиционные технологии не позволяют применять временные полимерные поддерживающие структуры. Ученые Пермского Политеха и эксперты компании ООО «Ф2 Инновации» разработали инновационный метод пространственной поддержки объектов, который включает «умные» подвижные механические элементы, встроенные в конструкцию 3D-принтера.
На изобретение получен патент.
Изготовление изделий методом 3D-печати является эффективным производственным инструментом, позволяющим быстро и экономично создавать прототипы, оснастку и готовые детали любой сложности. Это особенно важно, поскольку традиционные методы, такие как фрезеровка, литье и ковка, не всегда справляются с задачами, требующими высокой точности и гибкости. Разнообразные полимерные материалы обеспечивают прочность, гибкость, биосовместимость и долговечность конструкций, что расширяет сферу применения аддитивных технологий в различных отраслях, включая авиацию, медицину и электронику.
Построение объекта в 3D-принтере происходит на основе цифровой модели. После того, как специалист запустил процесс печати, пластик плавится и выходит через специальный движущийся элемент (экструдер). В жидком виде он слой за слоем формирует фигуру нужной формы и размера, которая со временем остывает и затвердевает.
Однако довольно часто промышленные изделия имеют выпирающие элементы или располагаются под углом. В таком случае каждый последующий слой пластика накладывается не ровно друг на друга, а выходит за пределы, ни на что не опираясь. Под действием силы тяжести он может провиснуть и деформироваться. Чтобы такого не случилось, одновременно с моделью обязательно печатаются временные пластиковые элементы, которые работают как поддержка для нависающих слоев. Но на это уходит дополнительное время и много материала (иногда даже больше, чем на саму деталь). После печати такие поддержки вручную сламывают или срезают, что часто приводит к повреждению поверхности самой детали и требует ее дополнительной обработки. При печати же крупногабаритных изделий, такие временные элементы реализовать и вовсе невозможно.
Ученые Пермского Политеха и эксперты компании ООО «Ф2 Инновации» разработали уникальное решение — вместо печати одноразовых поддержек из пластика, можно использовать механически перемещаемые элементы, выполненные как отдельные конструктивные узлы принтера в виде металлических пластин.
Данный способ основан на использовании механически перемещаемых поддерживающих элементов, которые не являются частью печатаемого объекта и не изготовлены из материала, используемого для печати. Эти конструкции обеспечивают поддержку нависающих частей объекта во время трехмерной печати, не мешая движению рабочего узла 3D-принтера. Форма поддерживающих элементов может изменяться за счет нахлеста, сворачивания или механической связи с оборудованием, что позволяет минимизировать напряжения и предотвращать деформацию неотвержденного полимера. Это инновационное решение позволяет успешно печатать крупные детали с нависающими элементами, а также более объемные изделия в горизонтальном режиме, где слои располагаются вертикально.
— Механические элементы интегрированы в конструкцию 3D-принтера и функционируют синхронно с экструдером. Система управления, основанная на цифровой модели, заранее определяет расположение нависающих элементов и необходимость их поддержки. Таким образом, «умные» поддержки всегда находятся в нужном месте и своевременно отодвигаются, не мешая движению экструдера. В конце печати они просто удаляются, не оставляя следов на поверхности. Такой процесс обеспечивает непрерывную и бездефектную печать, — объясняет Игорь Безукладников, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук и советник по науке ООО «Ф2 Инновации».
Эффективность технологии уже проверена на серийном оборудовании, и механизм поддержек интегрирован в конструкцию серийных 3D-принтеров компании «Ф2 Инновации». Эта технология особенно эффективна для нестандартных режимов печати, когда модель строится под углом 45° или 90°, что требует обязательной поддержки.