Сучасні інформаційні технології/1

Сучасні інформаційні технології/1.
Комп'ютерна інженерія

К.т.н. Обідник М. Д., Маліцький О. С.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Особливості технології тривимірного друку FDM

За останніх декілька років наука і техніка зробила неймовірний стрибок у своєму розвитку. Провідні країни світу вкладають великі кошти на розробку нових технологій, які згодом будуть займати провідне місце у нашому житті. Однією з новітніх технологій виготовлення є тривимірний друк. На сьогодні існує більше двадцяти принципів 3D друку, які базуються на використанні різних матеріалів та технологій, що знайшли своє місце у різних сферах виробництва.

Однією з найрозповсюдженіших технологій тривимірного друку є FDM (Fused Deposition Modelin), яка по іншому ще називається моделювання плавленням. Ця технологія була винайдена у 1991 році засновником компанії Stratasys Скоттом Крампом (Scott Crump).

Для друку тривимірного об’єкта спочатку створюється його 3D модель за допомогою спеціальних CAD програм. Спеціальні програми та драйвери розділяють 3D модель на горизонтальні шари. Потім вираховується траєкторії руху сопла екструдера для кожного з шарів. В свою чергу, спеціальний матеріал поступово подається в сопло, у якому він розплавлюється і видавлюється на потрібне місце. Цей процес повторюється поступово шар за шаром. Сам матеріал швидко застигає, тому виріб не встигає втратити свою форму.

Розглянемо більш детально цю технологію друку. Вона починається з процесу розробки, під час якого обробляються файли з розширенням stl (формат сереолітаграфічних файлів). Оператор вручну або програма автоматично створює модель у віртуальному CAD-середовищі. Після чого спеціальне програмне забезпечення, яке дозволяє автоматично генерувати елементи підтримуючих конструкцій, проводити розрахунок витратних матеріалів і час створення (вирощування) об’єкту. Перед запуском процесу друку тривимірна модель за допомогою спеціального програмного забезпечення розділяється на горизонтальні шари і проводиться розрахунок шляхів переміщення друкуючої головки. Деякі моделі таких принтерів можуть використовувати декілька матеріалів. Один матеріал для побудови виробу, а інший у вигляді опорної конструкції. При цьому останній є розчинний або крихкий, тому після завершення всіх робіт можна з легкістю відділити його від самої моделі. Так само існують моделі 3D принтерів, які використовують декілька кольорів основного матеріалу. Варіанти кольорів включають: синій , жовтий , помаранчевий ,червоний , зелений , чорний, сірий та прозорий[1].

Модель отримують шляхом екструзії розплавленого термопластичного матеріалу із сопла , що формує виріб шар за шаром, оскільки матеріал твердне негайно після екструзії модель не втрачає своєї форми, а сам друк пришвидшується. Сопло може бути переміщене в горизонтальному і вертикальному напрямках за допомогою механізму з числовим програмним управлінням.

Пластикова нитка подається з відсіків для матеріалів 3D-принтера в друкуючу головку, яка переміщається зі зміною координат X і Y, наплавляючи матеріал для створення кожного шару, поки основа не зміститься вниз або сопло не переміститься уверх по осі Z і не почнеться наступний шар. Модель друкується послідовно – один шар за один раз. Крокові двигуни або серводвигуни, як правило, використовуються для переміщення екструзійної головки. Механізм, використовує часто прямолінійний дизайн XYZ, хоча існують й інші механічні конструкції, такі як deltabot [2].

Технологія друку FDM є дуже гнучкою, і вона здатна мати справу з дрібними виступами з підтримки нижніх шарів, проте вона зазвичай має деякі обмеження на крутизні схилу навісу, і не може викликати неприпустимі сталактити.

Коли 3D-принтер завершує створення деталі, користувач відокремлює допоміжний матеріал або розчиняє його у водному розчині миючого засобу, після чого деталь готова до використання.

Точність побудови моделей становить від 0,127 мм до 0,254 мм. Поверхня злегка ребриста (ступінчаста) (у межах 0,5 мм). Ребристість обумовлена тим, що розплавлена нитка ABSPlus має округлу форму.

Існує ряд принтерів, побудованих на основі технології FDM[3]:

· uPrint SE

· Mojo

Розглянемо деякі матеріали, які застосовуються в технології FDM:

• ABSPlus – високоміцний промисловий термопластик

• ABS-M30 – високоміцний промисловий пластик

• ABS-M30i – біосумісний високоміцний промисловий пластик

• ABSi – біосумісний, прозорий пластик

• ABS-ESD7 – антистатичний пластик

• PC – високоміцний полікарбонат

• PC-ABS – високоміцний полікарбонат

• PC-ISO – біосумісний високоміцний полікарбонат

• ULTEM 9085 – вогнестійкий високотехнологічний термопластик

• PPSF/PPSU – хімічно стійкий і теплостійкий високотехнологічний термопластик

Було проведено дослідження 5 різних матеріалів, за їхніми фізичними властивостями результати яких наведено у таблиці 1[4].

Таблиця 1 – Результати дослідження характеристик матеріалів

Характеристики матеріалів	Оригінальний ABS від компанії Boedeker Plastics	Stratasys ABS	Stratasys ABS Plus	3D Systems Accura 50	Objet VeroWhite
Границя на розривання (psi)	6 500	3 200	5 295	7 030	7 221
Модуль пружності (psi)	340 000	236 000	329 500	360 000	361 775
Границя розтягування на розривання (%)	25	6	4	5,3	25
міцність на вигин (psi)	11 000	6 000	7 604	10 400	10 817
Модуль вигину (psi)	320 000	266 000	319 737	320 000	309 865
Ударне дослідження по методу Ізода (ft lb/in)	7	2	1,8	0,31	0,66
Температура деформації при нагріві @264psi (C)	102	96	82	43	43,6

За результатами дослідження найкращим виявився «Оригінальний ABS від компанії Boedeker Plastics», який показав доволі не погані результати по всім параметрам.

Серед особливостей технології FDM можна виділити високу точність друку (близько 0,15 мм), відносно високу міцність виробу, можливість виготовлення кольорових виробів, високу різноманітність матеріалів для друку[4].

Серед недоліків цієї технології можна відмітити велику усадку матеріалу, нерівномірну міцність виробу, шорстку поверхню надрукованої моделі та те, що точність друку залежить від товщини нитки матеріалу[5].

Зважаючи на отримані результати було запропоновано внести певні зміни у саму технологію друку, що дозволить позбутися певних недоліків. А саме деформувати нитку матеріалу, тобто замінити циліндричну форму на кубічною та додати у його осердя залізну серцевину з павутино подібними віточками.

Ці зміни дадуть нам змогу зменшити осадку самого матеріалу, а також зменшить шорсткість виробу.

У статті розглянуто особливості технології тривимірного друку FDM. Проаналізовано результати досліджень виробів з різних матеріалів по різним фізичним характеристикам та було запропоновано модернізацію цієї технології, що в свою чергу дасть нам змогу позбавитися певних недоліків. В загальному дана технологія являється на даний час однією з найкращих, а тому широко використовується сьогодні.

Література :

1. Novakova-Marcincinova L. Application of Fused Deposition Modeling Technology in 3D Printing Rapid Prototyping Area // Manuf. and Ind. Eng.:Матеріали научної конфю - Англія,2012. ISSN 1338-6549

2. Segerman Henry – : 3D printing for mathematical visualisation, 2013. – 5 с.

3. Grimm T. A – Fused deposition modelling:a technology evaluation, 2003. – 6 с.

4. CAПР [Електронний ресурс] : Технология FDM. Системы сімейства FDM Vantage. Компания Stratasys. / В. Й. Ткаченко. – Режим доступу до матеріалу : http://www.cad.dp.ua/obzors/FDM.php

5. Technologies in 3D Printing [Електронний ресурс]: Матеріал з DesignTech. Режим доступу до матеріалу : http://www.designtechsys.com/articles/3d-printing-technologies.php