Логотип сайта поддержки пользователей САПРО сайте поддержки пользователей САПР Translate to:

Технология трёхмерной печати. Прорыв в индустрии 3D проектирования.

Алексей Артемьев
менеджер по продажам
промышленного оборудования
ООО "БИБУС Украина"
Часть 1. Общее описание.

Технологи и конструкторы, работающие в системах автоматического проектирования, наверняка слышали и имеют чёткое понятие о 3-D печати. Ведь совсем недавно эта активно развивающаяся технология, произвела революцию в проектной и производственной индустрии, предоставляя возможность получать физические модели и детали без инструментального их изготовления в течении нескольких часов. Однако не менее интересным и полезным эта технология будет руководителям производственных компаний, дизайнерам, архитекторам, студентам, медикам и многим другим прямо или косвенно связанным с проектной деятельностью.

Прототипы изделий созданных таким образом могут использоваться Вами в самых разных целях в зависимости от Вашей фантазии. Наиболее привычное и общераспространенное применение это оценка концепции и дизайна, анализ функциональности, кинематический анализа, а также для использования в дальнейших технологических процессах. О применении моделей 3-D печати, как наиболее интересной и важной части технологии быстрого прототипирования (Rapid Prototyping - RP) пойдет во втором разделе нашей статьи.

Итак, что же подразумевается под системами быстрого прототипирования, системами трёхмерной печати, 3-D принтерами, установками 3-D печати.

В середине 80-х американец Чарльз Халл (Charles Hull) изобрел принцип, заключающийся в том, что в сосуд с жидким фотополимером погружалась площадка, на которой лазером выстраивалась объёмная деталь. Процесс выглядел так; площадка погружалась на определённую глубину в сосуд с жидким фотополимером, при воздействии ультрафиолетового лазера фотополимер затвердевал и превращался в достаточно прочный пластик, далее площадка опускалась на малый уровень и процесс повторяется заново. Таким образом, слой за слоем формировалась готовая деталь. Технология получила название стереолитография (StereoLithography - SLA). В 1986 году Чарльз Халл запатентовал первую SLA установку, основанную на этом принципе. Пожалуй, эту машину ещё нельзя было назвать 3-D принтером.


Технология стереолитографии.

Годы спустя принцип послойного формирования моделей вырос в целую индустрию быстрого прототипирования. На сегодняшний день существует несколько различных технологий послойного создания трёхмерных физических моделей из данных 3D САПР систем.

Забегая вперед, сразу возникает вопрос, в каких именно системах автоматического проектирования должен быть разработан файл для дальнейшей его печати на 3-D принтере. Ответ прост: Это может быть любое 3D приложение, а именно SolidWorks, Pro/Engineer, Autodesk Inventor, КОМПАС-3Д и др. Все 3-D принтеры работают со стереолитографическими файлами. Файл имеет расширение STL - сокращение от Standard Triangulation Language (Стандартный Язык Триангуляции). STL формат рассматривает любой объект как совокупность поверхностей и описывает каждую поверхность как совокупность треугольников. Например, квадрат может быть представлен двумя треугольниками, куб (шесть поверхностей) - тремя треугольниками. Изогнутые поверхности для описания требуют большее количество треугольников. Для более высокой точности, т.е. описания более гладкой кривой поверхности требуется как можно большее число треугольников. Таким образом, высококачественное описание объекта может привести к STL файлу большого размера. Все 3D САПР систем могут экспортировать проекты в STL файлы.

Итак, суть технологии RP такова; в программное обеспечение, поставляемое с совместно с 3-D принтером, загружается стереолитографический файл. Далее необходимо установить модель в так называемой зоне построения, которая для наглядности пользователя отображается на экране монитора. Правильное расположение модели позволяет сократить время печати и расход материалов. После этого можно запускать процесс печати.

На программном уровне начинается разбиение модели по слоям в горизонтальной плоскости с толщиной, установленной в настройках 3-D принтера. Отдельные слои автоматически и поочередно отправляются на печать.

На аппаратном уровне процесс печати отличается в зависимости от конкретной технологии / разработчика 3-D принтера.

На сегодняшний день далеко не всё оборудование, используемое ту или иную технологию RP можно назвать 3-D принтером. Под 3-D принтером понимается установка, которая обеспечивает совокупность таких характеристик как скорость печати, стоимость оборудования и расходных материалов, а также простота и легкость в эксплуатации. На данный момент можно выделить лишь две технологии от производителей имеющих соответствующие патенты и занимающиеся их развитием. Это порошково-струйная технология от компании Z Corporation (США) и комбинированная PolyJet технология от Objet Geometries (Израиль).

Порошково-струйная технология была разработана в знаменитом MTI - Массачусетском Технологическом Институте. Построение модели осуществляется склеиванием гипсового порошка.

На плоскости построения равномерным слоем с заданной толщиной распределяется порошок. Печатающая головка (адаптированная из струйных принтеров HP) распыляет на порошок клеящее вещество согласно алгоритму построения данного слоя. Затем плоскость построения опускается на малый уровень, соответствующий толщине слоя и процесс повторяется, а именно: равномерное распределение нового слоя - распыление клея в заданных областях. По окончании печати мы имеем модель, которая "засыпана" порошком не покрытым клеящим составом. Остаётся только вынуть модель и провести процедуру очистки, или так называемую финишную обработку модели.

Из особенностей технологии ZCorp стоит отметить высокую скорость печати. А использование четырёх печатающих головок вместо одной позволяет создавать цветные модели. В этом случае одна головка распыляет прозрачное клеящее вещество, а три дополнительных - клеящее вещество с красителями трёх основных цветов. Принтеры от компании Z Corporation являются единственными в мире цветными 3-D принтерами.

После завершения построения модели лишний порошок убирается очистительной станцией и затем может использоваться повторно. Это означает, что порошково-струйная технология ZCorp безотходная. Учитывая, что стоимость расходных материалов (порошка и клея) не высока - использование 3-D принтеров этого производителя является экономически привлекательным для широкого круга потребителей.

Само оборудование ZCorp также отличается низкой стоимостью и представлена линейкой, которая состоит из модели начального уровня ZPrinter310 Plus, профессионального цветного 3-D принтера Spectrum Z510 и нового ZPrinter450.

Основные характеристики этих принтеров приведены в таблице:
Zcorp Zprinter 310 Plus Zprinter 450 Spectrum Z 510
Скорость печати 2-4 слоя в минуту
Режим печати монохромный цветной цветной
Размер области построения 203 x 254 x 203 мм 203 x 254 x 203 мм 254 x 356 x 203 мм
Типы используемых материалов для построения объектов Высококачественный композитный, эластомерный, эпоксидный, для прямого литья, для точного литья Высококачественный композитный материал Высококачественный композитный, эластомерный, для прямого литья
Толщина слоя печати 0,089 - 0,203 мм
Разрешение 300 x 450 dpi 300 x 450 dpi 600 x 540 dpi
Количество печатающих головок 1 2 4
Количество сопел 304 604 1216
Размеры оборудования 74 x 86 x 109 см 122 x 79 x 140 см 107 x 79 x 127 см
Вес оборудования 115 кг 263 кг 204 кг
Требования к электросети 115В, 4.3A 230В, 2.4A 110В, 14.4A 115В, 14.0A 230В, 6.2A 100В, 7.8A 115В, 6.8A 230В, 3.4A
Поддержка LAN соединения TCP/IP 100/10 base T
Совместимость с ОС Windows 2000 Professional and Windows XP Professional
Соответствие нормам CE, CSA
Поддерживаемые форматы печати STL, VRML, PLY, 3DS
Лицензионное ПО ZPrint Software, ZEdit Software

Необходимо отметить, что модель ZPrinter 450, появившаяся в 2007 году не требует дополнительной станции для очистки моделей - станция встроена в принтер, что является решением не только удобным для пользователя, но и экономящим рабочее пространство, что особенно актуально для офисных помещений.

Z Corporation постоянно работает не только над усовершенствованием оборудования, но и над разработкой новых видов расходных материалов. На данный момент в качестве основного порошкового материала используется гипс с различными примесями и добавками. Состав и количество примесей, а также применение различных пропиток при финишной обработки моделей определяют физические характеристики моделей-прототипов. Моделям можно придать большую крепость, они могут носить резиноподобный характер и даже использоваться как пресс-формы для прямого литья легкосплавных металлов, таких как алюминий, цинк, магний.

Специалисты Z Corporation блики к созданию порошка по своим характеристикам аналогичный литейному песку, что позволит создавать пресс-формы для литья чёрных металлов. А следовательно, 3-D принтеры ZCorp найдут ещё большее применение в индустрии разработки и производства.

PolyJet технология компании Objet Geometries названа комбинированной, потому что это удачный симбиоз простой, дешевой технологии струйной печати и аккуратной, точной технологии лазерной печати.


Технология PolyJet

Процесс печати заключается в следующем. На плоскость построения согласно программному алгоритму наносится жидкий фотополимер печатающей головкой Objet. Печатающая головка Objet - 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 головка наносит следующий слой.

На сегодняшний день технология PolyJet по праву считается революционной и самой прогрессивной. Толщина одного слоя составляет 16 микрон, что позволяет создавать модели с мельчайшей детализацией и гладкими поверхностями. При этом стоимость 3-D принтеров Objet более чем в 4 (четыре!!!) раза дешевле лазерных SLA, SLS, LOM машин.

3-D модели Objet не требуют финишной обработки и готовы к целевому использованию сразу после печати. За счёт этого значительно сокращено время печати прототипов по сравнению с другими системами быстрого прототипирования.

Особенностью систем Objet является наличие широкой линейки материалов построения моделей. Модели, построенный из различных материалов, имеют разные физические характеристики и цветовые решения.

В таблице, приведенной ниже, описаны основные параметры материалов и их значения при проведении стандартных методик тестирования.

Жесткие материалы
Параметр Метод FullCure 720 VeroWhite VeroBlue VeroBlack
Цвет -
желто-прозрачный

белый

синий

черный
предел прочности на разрыв, МПа D-638 60.3 49.8 55.1 50.7
предел растяжения на разрыв, % D-638 15.0-25.0 15.0-25.0 15.0-25.0 17.7
модуль упругости, МПа D-638 2870.0 2495.0 2740.0 2192.0
прочность на изгиб, МПа D790 75.8 74.6 83.6 79.6
модуль изгиба, МПа D790 1718.0 2137.0 1983.0 2276.0
Ударные испытания по методу Изода, Дж/м D256 39.6 37.5 42.5 -
сопротивление сжатию, МПа D695 84.3 - 79.3 -
Твердость по Шору - 83.0 83.0 83.0 83.0
Твердость по Роквеллу - 81.0 81.0 81.0 81.0
Температура деформации при нагреве, С D648 0.45МПа 48.4 47.6 48.8 47.0
1.82МПа 44.4 43.6 44.8 42.9
Температура стеклования, Tg, DMA,E" 48,7 58.0 48.7 62.7
Зольность, % - <0.01 <0.40 <0.30 -
Эластичные материалы
Параметр Метод TangoBlack TangoGray
TangoGray -
черный

серый
предел прочности на разрыв, МПа ASTM D-412 2.0 4.36
предел растяжения на разрыв, % ASTM D-412 47.7 47.0
Остаточная деформация при сжатии, % ASTM D-395 0.8 1.0
Твердость по Шору A ASTM D-2240 61.0 75.0
Сопротивление разрыву, Кг/см ASTM D-624 3.8 9.5
Температура стеклования Tg, C DSC(-80 C+100 C) -10.7 +2.6

Революционная технология PolyJet это действительно новая эра трёхмерной печати физических моделей, позволяющее значительно повысить темпы выхода новых товаров на всё более конкурирующий рынок.

На сегодняшний момент 3-D принтерами Objet и ZCorp пользуются более 15 тыс. компаний, среди которых широкоизвестные BMV, Audi, Nokia, Motorola, Bosh, Black & Dacker, Adidas, Nike, Lego, Walt Disney, Microsoft и многий другие, которые держат высокую планку и задают развития дизайна и функциональности своей продукции.

Принтеры ZCorp под торговыми марками ZPrinter и SpectrumZ, а также Objet Geometries под торговой маркой Eden наиболее полно соответствуют требованиям существующего рынка. Простота использования оборудования конечным пользователям в офисных условиях и разумное ценовое предложение предоставляет возможность широкого использования в кругу дизайнеров и инженеров-конструкторов, позволяя сэкономить материальные вложения и время развития изделия от концептуальной модели до законченного продукта!



Copyright © Сайт поддержки пользователей САПР by Victor Tkachenko