Файл: СПбгмту допущен к защите.pdf

10 прототипами — имплантаты и эндопротезы, инструменты и формы, детали самолетов и спутников и многое-многое другое.
Аддитивные технологии (от английского Additive technology) - родовое название технологий, предполагающих изготовление изделия по цифровой модели
(или CAD модели) методом послойного добавления (Additive, отсюда и название) материала. Изделие изготавливают послойно, шаг за шагом, путем формирования
(тем или иным способом) слоя материала, отверждения или фиксации этого слоя в соответствии с конфигурацией раздела модели САПР и соединения каждого последующего слоя с предыдущим.
Модельные (строительные) материалы могут быть жидкими (фотополимерные смолы, воски и др.), сыпучие (песок, порошковые полимеры, металлопорошковые композиции), в виде тонких листов (полимерные пленки, листы бумаги и др.), а также в виде полимерной нити или металлической проволоки, расплавляемой непосредственно перед формированием слоя построения. При использовании AF- технологии все этапы реализации проекта от идеи до материализации (в любой форме - в промежуточной или в виде готовой продукции) находятся в
«дружественной» технологической среде, в единой технологической цепочке, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой системе CAD /
CAM / CAE. На практике это означает реальный переход к «безбумажным» технологиям, когда в принципе не требуется изготовление деталей традиционной бумажной чертежной документации. Суть аддитивного изготовления (АФ) можно проиллюстрировать простым примером: CAD-модель → AF-машина → деталь (Рис.
1).
Рис. 1 Процесс цифрового производства

11
В то время как традиционное производство включает в себя намного больше процессов (Рис. 2), что влечет за собой увеличение сроков производства и стоимости, по сравнению с более коротким цифровым производственным процессом.
Рис. 2 Схема производственного процесса традиционного производства
Аддитивные технологии охватывают все новые области человеческой деятельности. Машиностроители, архитекторы, археологи, палеонтологи и представители других профессий использовать 3D-принтеры для реализации различных идей и проектов (Рис. 3, Рис. 4). Активно создаются роботизированные комплексы для «печати» быстротвердеющими бетонными смесями. Все эти работы проводятся при активной поддержке государства и бизнеса из различных источников. Особое внимание уделяется развитию технологий DMF- Direct Metal
Fabrication -прямого роста из металла. Данная технология рассматривается как одна из стратегических технологий развития, прежде всего в аэрокосмической и оборонной отраслях промышленности. Все многообразие аддитивных технологий основано на автоматическом преобразовании электронных CAD-проектов в твердотельные физические формы с использованием специальных цифровых фабрикаторов – фабберов (faber от английского слова “fabrication”), история которых насчитывает несколько веков. Автор работ (В.И, 2003) (В.И, 2001) считает, что «спустя три-четыре десятилетия человечество все же сможет реализовать немыслимое, реализуя в домашних условиях прямое производство необходимых предметов с использованием моделей физических объектов, загруженных из глобальной сети” (В.И., 2002 стр. 7)

12
Рис. 3 Два варианта петли для кожухов двигателей Airbus A380. На переднем плане — бионический вариант, изготовленный методом металлической 3D-печати
Рис. 4 Пример 3д печати металлом
1.2 Технология 3D-печати FDM
FDM (Fused Depsition Modelling) самая общая технология печатания 3D в мире. С ее помощью выращивается продукция как на домашних принтерах, так и на промышленных системах высокоточной 3D печати. Принцип строительства по технологии FDM заключается в послойном выращивании изделия из предварительно расплавленной пластиковой нити.
1.3 Принцип построения изделия по технологии FDM
Способ печати: “печатающая” головка выдавливает жидкий материал слой за слоем, перемещаясь свободно как в плоскости слоя, так и вертикально. Материал-

13 пластиковая нить, намотанная на бобину. Через головку и специальное сопло нить подается на платформу, создавая твердое тело модели. Микропроцессор включает или отключает подачу материала, а также контролирует движение головки в пространстве в 3 координатах. Кроме того, головка нагревает материал так, чтобы материал был пластичным и как бы “клейким” для сцепления с платформой и с уже напечатанной моделью. (Рис. 5). Движение печатающей головки (Экструдера) осуществляется по траектории, заданной системой обработки 3д моделей, созданных в САПР Модель, строится слой за слоем, снизу-вверх.
Рис. 5 Принципиальная схема FDM печати
1.4 Применение
Моделирование методом послойного наплавления (FDM) используемая для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование упрощает повторное тестирование с последовательным пошаговым обновлением объекта. Быстрое производство служит недорогой альтернативой стандартным методам создания небольших партий.
FDM является одним из дешёвых методов печати, что обеспечивает растущую популярность частных принтеров, основанных на этой технологии.
1.5 Расходные материалы
Технология FDM предназначена для печати термопластиками, которые обычно поставляются в виде тонких нитей, намотанных на бобины. Ассортимент
«чистых» пластиков очень широк. Одним из самых популярных материалов

14 является полилактид или «PLA-пластик». Этот материал производится из кукурузы или сахарного тростника, что делает его нетоксичным и экологически чистым, но делает его относительно недолговечным. ABC-пластик, напротив, очень прочный и износостойкий, хотя он восприимчив к прямым солнечным лучам и может выделять небольшое количество вредных паров при нагревании. Из этого материала изготавливается много пластмассовых изделий промышленного назначения, которые мы используем ежедневно: корпус бытовой техники, сантехника, пластиковые карты, игрушки и многое другое.
В дополнение к PLA и ABS, нейлон, поликарбонат, полиэтилен и много других термопластов обыкновенно используемых в современной индустрии можно использовать в печати. Возможно использование более экзотических материалов - таких как поливиниловый спирт, известный как «PVA-пластик». Этот материал растворяется в воде, что делает его очень полезным при печати моделей сложной геометрической формы требующих растворяющихся поддержек.
Нет необходимости печатать однородные пластмассы. Также можно использовать композитные материалы, имитирующие дерево, металлы, камень.
Такие материалы используют все те же термопласты, но с примесями непластичных материалов. Так, Laywoo-D3 частично состоит из натуральной древесной пыли, что позволяет печатать «деревянные» изделия, в том числе и мебель.
Материал под названием BronzeFill имеет настоящий бронзовый наполнитель, а изготовленные из него модели поддаются шлифовке и полировке, достигая высокого сходства с изделиями из чистой бронзы.
Стоит только помнить, что термопласты служат связующим элементом в композиционных материалах - они определяют пороги прочности, термостойкости и другие физико-химические свойства готовых моделей.
1.6 3d принтер flashforge dreamer
3d принтер flashforge dreamer (Рис. 6), используемый в данной работе, имеет следующие характеристики (Таблица 1).

15
Рис. 6 3d принтер flashforge dreamer
Таблица 1 Характеристики 3d принтера flashforge dreamer.
Назначение:
Персональный
Производитель:
FlashForge
Страна:
Китай
Технология печати:
FDM/FFF - Моделирование методом наплавления
Количество печатающих головок:
2
Диаметр сопла (мм):
0,4
Температура экструдера: до 260 °C
Область построения (мм):
230 x 150 x 140
Платформа: с подогревом
Тип экструдера с прямой подачей пластика
Температура платформы
До 105 °C
Интерфейс подключения:
USB. WiFi 802.11b/g
Операционные системы: Windows (XP32bit/7/8+), Linux (12.04+), Mac OS

16
(10.6 64bit+)
Програмное обеспечение:
В комплекте, FlashPrint
Поддерживаемые форматы файлов:
STL, OBJ, DAE, AMF
Дисплей:
OLED
Материалы для печати:
ABS, FLEX, Laybrick, Nylon и др.
Диаметр нити (мм):
1.75
Вес (кг):
14
Размеры (мм):
467 x 381 x 320
Рис. 7 Кинематическая схема 3д принтера flashforge dreamer. 1-направляющие валы оси Y. 2- напрвляющие валы оси Х. 3-каретки, обеспечивающие передвижение валов 2 по оси Y. 4-рабочий стол. 5- каретка с печатающими головками. 6-ремень привода каретки, обеспечивающий передвижение по си Х. 7- ремни привода оси Y. 8-вал обеспечивающий передачу крутящего

17 момента от двигателя к кареткам 3 и обеспечивая их передвижение. 10-ходовой винт оси Z. 19- валы оси Z.
1.7 3d принтер Tevo tarantula
Таблица 2 содержит характеристики 3d принтера Tevo tarantula, используемого в работе. Устройство принтера представлено на Рис. 8.
Назначение:
Персональный
Производитель:
TEVO
Страна:
Китай
Технология печати:
FDM/FFF - Моделирование методом наплавления
Количество печатающих головок:
1
Диаметр сопла (мм):
0,4
Температура экструдера: до 260 °C
Область построения (мм):
200X200X200(200X200X180 фактически)
Максимальное разрешение (микрон):
50 микрон
Платформа: с подогревом
Температура платформы
До 105 °C
Интерфейс подключения:
USB, TF карта
Тип экструдера direct (E3D Боуден-штатно)
Операционные системы:
Windows (XP32bit/7/8+), Linux (12.04+), Mac OS
(10.6 64bit+)
Поддерживаемые форматы файлов:
STL, OBJ, DAE, AMF
Дисплей:
LCD
Материалы для печати:
ABS, FLEX, Laybrick, Nylon и др.
Диаметр нити (мм):
1.75
Вес (кг):
7,5
Размеры (мм):
430X440X400
Таблица 2 Характеристики 3d принтера Tevo tarantula

18
Рис. 8 1-шаговый двигатель привода оси Z; 2-шаговый двигатель подачи пластика; 3- шаговыйдвигатель привода оси Y;4-шаговый двигатель привода оси X; 5-экструдер; 6-рабочий стол; 7-профелированныая алюминиевая направляющая оси X; 8-каретки перемещения оси 7, вдоль оси Z; 9-профилированная алюминиевая направляющая оси Z; 10-блок управления; 11- каретка рабочего стола.
1.8 Сравнение 3d принтеров, участвующих в проверке точности.
Для сравнения принтеров достаточно выделить значимые отличия в устройстве 3d принтеров Tevo tarantula и flashforge dreamer которые могут влиять на различие в качестве печати.
Отличие корпусов принтеров. В принтере flashforge рабочая область закрыта и обеспечивает «спокойный» воздух и постоянную температуру, что важно при печати ABS пластиком подверженному короблению, в то время как у принтера tarantula открывая область печати.
Основание рамы принтера tevo имеет вид креста и не даёт должной устойчивости при ускоренных перемещениях экструдера. Принтер flashforge опирается на 4 ножки, разнесенные по углам прямоугольного основания, такая база более устойчивая, но все равно во время тестовой печати под ножки подкладывались подкладки для уменьшения колебаний корпуса.

19
У принтера фирмы tevo каретка перемещаются в пазах профилированного алюминия, при помощи роликов, в то время как на принтере flashforge подшипники скольжения перемещающаяся по валам. В схеме принтера фирмы tevo отклонение от позиционирования может быть вызвано: отклонением формы роликов направляющих, зазоров между роликами и пазами профилированного алюминия, а также из-за неправильной ручной регулировки прижима роликов.
В tevo tarantula используется один боуден экструдер (двигатель подающий пластик вынесен с печатающей каретки и установлен на корпус принтера) в штатной комплектации, в принтере участвующем в исследовании был переделан способ подачи пластика на директ (подающий пластик двигатель находится на каретке экструдера). У принтера flashforge два экструдера типа директ. Отличие в том, что чем больше экструдеров на печатающей головке, тем больше ее инерционность и тем меньше ее максимальная скорость качественной печати.
У принтера tevo перемещение по оси z производится по средствам перемещения направляющей с экструдером, у принтера flashforge по оси z перемещается рабочий стол. У принтера tevo перемещение по оси y производится по средствам перемещения рабочего стола, у принтера flashforge по оси z перемещается направляющая с экструдером.
1.9 Проверка и испытание 3д принтеров на геометрическую и кинематическую точность
На данный момент не существует стандарта на испытание точности 3д принтера, но очевидно, что точность 3д печати в большей степени зависит от кинематики принтера, что дает возможность адаптировать ГОСТы металлорежущих станков под 3д принтеры. Начать разбор методов проверки и испытаний станков стоит с общего обзора контролируемых параметров.

20 1.10 Проверка станков и 3д принтеров на геометрическую и кинематическую точность, жёсткость и виброустойчивость.
Каждый станок после изготовления или ремонта перед эксплуатацией должен удовлетворять определённым техническим требованиям. Испытание станков необходимо для проверки статической и динамической точности, проверки на мощность, жесткость и виброустойчивость.
Проверка точности станка заключается в проверке геометрической точности, шероховатости поверхности и точности обработки. Проверка на геометрическую точность предназначена для проверки прямолинейности направляющих, плоскостности столов; положения шпинделя и точности вращения; горизонтальных и вертикальных стоек, направляющих пластин и колонн; параллельности и перпендикулярности осей между собой или соответствующих направляющих; погрешностей ходовых винтов, делительных устройств и др. Для типовых моделей станков с установившимся компоновками геометрическая точность нормируется соответствующими государственными стандартами. При проверке станков с оригинальной компоновкой и специальных станков необходимо установить положение координатных плоскостей станка. Если машина имеет вращающийся рабочий орган, то две координатные плоскости, расположенные взаимно перпендикулярно, обычно проходят через ось вращающегося рабочего органа, а третья - перпендикулярно этой оси. Если машина не имеет вращающегося рабочего органа, то одна из координатных плоскостей параллельна плоскости движения одного из рабочих органов, совершающих прямолинейное движение, вторая перпендикулярна ей и параллельна направлению движения рабочего органа, а третья перпендикулярна первым двум. После выбора координатных плоскостей анализируется влияние погрешностей расположения направляющих, опорных поверхностей и посадочных мест для установки заготовок, устройств и режущего инструмента на погрешность обработки и устанавливаются нормы для этих погрешностей. При определении допустимого значения погрешности следует руководствоваться государственными стандартами на универсальные станки.

21
Следует также разработать методы проверки величины ошибок, возникающих при изготовлении и сборке станка. Виды ошибок, возникающих в процессе обработки, определяются, с одной стороны, характером операции, с другой - характером отклонений относительного положения и формы направляющих рабочих органов.
Проверка должна проводиться после предварительной обкатки машины на холостом ходу или после испытаний в работе, а основные элементы машины должны достигать рабочих установившихся температур.
При проверке геометрической точности вращающихся рабочих органов контролируется биение оси и правильное расположение опорных поверхностей и посадочных мест. В случае кинематического профилирования источников погрешностей, возникающих в процессе обработки, могут появиться погрешности в передаточных отношениях кинематической цепи, осуществляющей функционально связанные движения соответствующих рабочих органов. Кинематическая погрешность относится к наибольшей погрешности угла поворота шестерни в пределах одного оборота при однопрофильном зацеплении с точным колесом.
Коэффициенты ошибок могут быть переменными и постоянными. Постоянные погрешности возникают из-за невозможности точного выбора количества зубьев зубчатых колес, входящих в Кинематическую цепь. Переменные погрешности передаточного отношения могут возникать в связи с погрешностями изготовления элементов кинематической цепи. Кинематические цепи, осуществляющие функциональные движения органов машины, в большинстве случаев состоят из шестеренок. Конечным звеном цепи обычно является винт с гайкой или червячная передача. При работе станка под нагрузкой возникают дополнительные кинематические погрешности, обусловленные деформациями звеньев цепи колебательными процессами, зазорами в кинематической цепи.
По аналогии с металлорежущими станками у FDM 3d принтера можно выделить рабочие органы кинематической системы, которые вносят погрешность в работу принтера. Ремни привода печатающей головки оказывают нагрузку на подшипники их крепления. В случае принтера Flashforge это пластиковые ролики, которые подвержены износу. Так же ремни со временем могут изнашиваться и

22 вытягиваться, что будет негативно сказываться на точности позиционирования печатающей головки. В ременных передачах исследуемого принтера, есть натяжители, упрощающие установку ремня в принтер и компенсирующие его растяжение, но натяжители не компенсирует износ зубьев и увеличение зазора между ремнем и шестерней. В конструкции принтера есть ходовой винт привода оси
Z рабочего стола. В этом управляющем органе возможен износ ходового винта и гайки, не перпендикулярность ходового винта и направляющих валов плоскости рабочего стола, износ подшипников скольжения направляющих рабочего стола, не параллельность рабочего стола и рабочей плоскости печатающей головки, что приводит к погрешности позиционирования. Износ рабочего стола приводит к плохой адгезии печатаемой модели, что может привести к частичному или полному ее «отлипанию». Подшипники скольжения валов оси X и Y так же подвержены износу, что приводит к люфту и не точности позиционирования. Так как 3d принтер управляется микропроцессором, часть отклонений может быть вызвана неправильной калибровкой управляющей программы.
1.11 Анализ точности 3д принтера на основе ГОСТ 26016-83-станки фрезерные широкоуниверсальные инструментальные.
3Д принтер FDM технологии имеет схожую структуру с вертикально фрезерным станком. У них имеются 3 взаимно перпендикулярные оси движения инструмента, образующего контуры детали (для фрезерного станка- фреза, для 3д принтера- экструдер.) относительно рабочего стола, которые совершая работу, послойно образуют контуры детали. Исходя из этого можно разработать методику проверки точности FDM 3d принтера, можно основываясь на ГОСТах проверки точности фрезерных станков, учитывая сходства и различие оборудования.
1.11.1
Образец-изделия для общих проверок.
У большинства FDM 3д принтеров базовая поверхность рабочего стола не восприимчива к измерениям, поэтому, целесообразно проводить оценку точности принтера, через контроль форм и размеры образца-изделия.