Материалы для аддитивного производства по технологии FFF

Методические указания к работе

«Подготовка управляющей программы для производства изделий судового МСЧ по средством аддитивной технологии»

Введение

На сегодняшний день аддитивные технологии являются крайне перспективным направлением развития производства. Предприятия группы ОСК начинают внедрение трехмерной печати по цифровым моделям начиная с 2017 года. Пилотные проекты запущены на АО «ЦС «Звездочка», АО «ПО «Севмаш», НПО «Винт», ПСЗ «Янтарь» и ряде других предприятий. В связи с этим, подготовка кадров, имеющих представление о началах технологии трехмерной печати является необходимым базисом, обеспечивающим развитие производства. В данной работе вам предлагается составить программу для производства учебной детали на аддитивной установке.

Преимущества аддитивной технологии над традиционной наглядно показано в следующей схеме:

Рис. 1 Сравнение аддитивного и традиционного способа производства

Задачи :

1. Изучить положения теоретической части методических указаний.

2. Составить краткий конспект основных параметров, определяющих качество печати.

3. Описать возможные отклонения геометрии детали в процессе печати, модифицировать 3D модель в любой известной вам программе для корректировки данных отклонений геометрии.

4. Выполнить слайсинг детали согласно полученным знаниям и предоставить файл управляющей программы преподавателю.

Теоретическая часть

Аддитивное производство (АП), также распространено наименование 3D-печать — группа технологических методов производства изделий и прототипов, основанная на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки.

В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей, основанные не на удалении материала как традиционные технологии механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР , за счет добавления материала в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом. Группа этих технологий на западе получила название — аддитивное производство (англ. Additive Manufacturing). За три десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых прототипов к непосредственному получению готовых функциональных изделий. К настоящему времени технология позволяет получать металлические и неметаллические прототипы и функциональные изделия, которые не требуют механической пост-обработки.

Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. Современный рынок аддитивного производства составляет порядка 1,300 млн долларов, включая производство специального оборудования и оказание услуг, в соотношении ориентировочно 1/1. Доля России среди стран активно развивающих и применяющих технологии аддитивного производства составляет примерно 1,2 % (США — 39,1 %, Япония — 12,2 %, Германия — 8,0 %, Китай — 7,7 %), и показывает устойчивый рост.

Среди применений технологии аддитивного производства, наиболее востребованным представляется производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, то есть там, где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.

FDM технология

Среди большого количества конкретных реализаций аддитивного принципа FDM технология занимает особое место. Данная технология трехмерной печати прутком является наиболее доступной, простой и при этом вариативной. На предприятиях группы ОСК на текущий момент насчитывается более сотни машин, работающих по FDM технологии.

Моделирование методом послойного наплавления (англ. fused deposition modeling, FDM) — технология аддитивного производства, широко используемая при создании трёхмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.

Технология FDM подразумевает создание трёхмерных объектов за счёт нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков. Стандартные диаметры прутка: 1.75мм и 3мм.

Рис. 1. Пример стандартной катушки PLA пластика

Технология FDM была разработана С. Скоттом Крампом в конце 1980-х годов и вышла на коммерческий рынок в 1990 году.

Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании «Stratasys». Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «fused filament fabrication» («производство способом наплавления нитей»), или FFF, для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF равнозначны по смыслу и назначению.

Рис. 2. Пример наиболее распространенной конструкции FDM принтера

SLA/DLP технология

Лазерная стереолитография (SLA) — технология 3D-печати, основанная на послойном отверждении жидкого материала под действием луча лазера. Используется в промышленных 3D-принтерах компаний 3D Systems и Uniontech.

Фотополимер — это вещество, изменяющее свои свойства под воздействием ультрафиолетового света. В обычном состоянии фотополимер податливый, а при попадании под УФ-излучение электромагнитного диапазона приобретает прочность. Продолжительность облучения и длина волны рассчитывается в зависимости от конкретного материала, размеров объекта и условий окружающей среды.

SLS технология

SLS или Selective Laser Sintering — технология аддитивного производства, основанная на послойном спекании порошковых материалов (полиамиды, пластик) с помощью луча лазера.

Процесс печати по технологии Selective Laser Sintering заключается в послойном спекании частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели. Спекание материала происходит под воздействием луча одного или нескольких лазеров. Перед началом процесса построения расходный материал разогревается почти до температуры плавления, что облегчает и ускоряет работу SLS-установки.

Технологию SLS часто путают с другой схожей порошковой технологией 3D-печати — SLM. Главное различие этих процессов в том, что SLS-технология производит лишь частичное плавление поверхности частиц, необходимое для спекания их вместе. В свою очередь технология SLM (сплавление материала) обеспечивает полную лазерную плавку частиц, необходимую для построения монолитных изделий.

Материалы для аддитивного производства по технологии FFF

Технология FFF имеет массу преимуществ, среди которых относительная простота конструкции принтеров и ценовая доступность как устройств, так и расходных материалов. Причем, ассортимент материалов является, пожалуй, самым широким среди всех доступных технологий. Как правило, для печати используются термопластики, но есть и исключения – композитные материалы, содержащие различные добавки, но основанные, опять-таки, на термопластиках. В этом разделе мы постараемся рассказать о наиболее широко применяемых материалах поподробнее, начиная с наиболее популярных видов.

Полилактид (PLA, ПЛА)

Полилактид – один из наиболее широко используемых термопластиков, что обуславливается сразу несколькими факторами. Начнем с того, что PLA известен своей экологичностью. Этот материал является полимером молочной кислоты, что делает PLA полностью биоразлагаемым материалом. Сырьем для производства полилактида служат кукуруза и сахарный тростник. В то же время, экологичность полилактида обуславливает его недолговечность. Пластик легко впитывает воду и относительно мягок. Как правило, модели из PLA не предназначаются для функционального использования, а служат в качестве дизайнерских моделей, сувениров и игрушек. Среди немногих практических промышленных применений можно отметить производство упаковки для пищевых продуктов, контейнеров для лекарственных препаратов и хирургических нитей, а также использование в подшипниках, не несущих высокой механической нагрузки (например, в моделировании), что возможно благодаря отличному коэффициенту скольжения материала.

Одним из наиболее важных факторов для применения в 3D-печати служит низкая температура плавления – всего 170-180°C, что способствует относительно низкому расходу электроэнергии и использованию недорогих сопел из латуни и алюминия. Как правило, экструзия производится при 160-170°C. В то же время, PLA достаточно медленно застывает (температура стеклования составляет порядка 50°C), что следует учитывать при выборе 3D-принтера. Оптимальным вариантом является устройство с корпусом открытого типа, подогреваемой рабочей платформой (во избежание деформаций моделей большого размера) и, желательно, дополнительными вентиляторами для охлаждения свежих слоев модели.

PLA обладает низкой усадкой, то есть потере объема при охлаждении, что способствует предотвращению деформаций. Тем не менее, усадка имеет кумулятивный эффект при увеличении габаритов печатаемых моделей. В последнем случае может потребоваться подогрев рабочей платформы для равномерного охлаждения печатаемых объектов.

Стоимость PLA относительно невелика, что добавляет популярности этому материалу.