Файл: Температураны бетіні кедірбдырлыы мен кеуектілігіне андай.pdf

АНДАТПА
Бұл дипломдық жобада Fused Deposition Modeling (FDM) аддитивті технологиялар процестерінің бірі қарастырылады. Біз Fused Deposition
Modeling технологиясының принциптерін, түрлі модельдер басып шығару принциптерін, Fused Deposition Modeling процесінің параметрлерін және 3D принтерге басып шығаруға қажетті материалдарды зерттедік, әртүрлі пластиктерді салыстырдық.
Insight бағдарламалық жасақтамасы, сондай-ақ осы бағдарламалық жасақтамада модель құрудың негізгі процедурасы қарастырылған.
Осы технологияны қолдану барысында Fused Deposition Modeling машинасында жұмыс істеу кезінде артықшылықтар мен кемшіліктер анықталды.
Температураның бетінің кедір-бұдырлығы мен кеуектілігіне қандай
әсерін тигізетінін анықтадық.

АННОТАЦИЯ
В данной дипломной работе рассмотрен один из процессов аддитивных технологий Fused Deposition Modeling (FDM). Изучили принципы работы моделирования с плавным осаждением, принципы печати, параметры процесса Fused Deposition Modeling и материалы, которые необходимы для
3D-печати, сравнили различные пластики.
Рассмотрено программное обеспечение Insight, а также базовая процедура построения модели в данном ПО.
В ходе применения данной технологии были выявлены преимущества и недостатки при работе на машине Fused Deposition Modeling.
Выявили влияние температуры на шероховатость и пористость поверхности.

ANNOTATION
In this thesis, one of the processes of additive technologies Fused Deposition
Modeling (FDM) is considered. We studied the principles of Fused Deposition
Modeling, the principles of printing, the parameters of the Fused Deposition
Modeling process and the materials required for 3D printing, and compared various plastics.
The software Insight is considered, as well as the basic procedure for building a model in this software.
During the application of this technology, the advantages and disadvantages of working on a Fused Deposition Modeling machine were identified.
The influence of temperature on the surface roughness and porosity was revealed.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
8 1 О технологии Fused Deposition Modeling
9 1.1 Процесс FDM
9 1.2 Параметры процесса FDM
11 1.2.1 Высота среза
11 1.2.2 Размер наконечника модели
12 1.2.3 Температура сборки модели
12 1.2.4 Ширина растра
12 1.2.5 Растровый угол
12 1.2.6 Воздушный зазор
13 1.2.7 Стиль заливки деталей
13 1.2.8 Стиль внутренней части
14 1.3 Преимущества и ограничения
15 1.4 Материалы FDM
16 2 Программное обеспечение FDM Insight
19 3 Шероховатость и пористость поверхности
22 3.1 Механические свойства
23 3.2 Влияние температуры печати
24 4 Печать FDM
27 4.1 Усилие для быстрой печати
27 4.2 Усилия по улучшению разрешения
28 5 Исследования и разработки в области FDM
31
Заключение
32
Список использованной литературы
33

8
ВВЕДЕНИЕ
Традиционно при литье в оболочечные формы используют восковые модели. Эти модели изготавливают в металлических пресс-формах, что делает изготовление оснащения очень дорогим процессом и может занимать до нескольких недель. Для изготовления мелкосерийной или одиночной продукции, создания пресс-форм, не является экономически эффективным решением. 3D печать, с другой стороны, дает много преимуществ, что позволяют литейным предприятиям изготавливать отдельные детали или даже мелкие серии деталей в значительно более короткие сроки.
Необходимость повышения гибкости и ускорения процесса проектирования и производства новых продуктов привела к развитию быстрых технологий, включая технологии аддитивного производства (АП)
(также известные как быстрое прототипирование, быстрое производство, быстрая оснастка, аддитивное изготовление, аддитивное производство слоев, производство слоев и технологии изготовления свободной формы).
Первоначально технологии AП были известны как технологии быстрого прототипирования, поскольку они использовались для визуализации и проверки дизайна; однако быстрая эволюция этих технологий позволила быстро производить детали конечного использования и быстро развивать инструментальную оснастку.
Аддитивное производство
- это технология, быстро распространяющаяся на ряд отраслей промышленности. Он обеспечивает свободу проектирования и экологические/экологические преимущества. Он преобразует по существу файлы дизайна в полностью функциональные продукты.
Однако этому по-прежнему препятствуют низкая производительность, низкое качество и неопределенность механических свойств конечных деталей.
Основная причина нежелательных эффектов кроется в контролирующих аспектах процесса. Оптимизация затруднена из-за ограниченных подходов к моделированию. Физические явления, связанные с процессами аддитивного производства, сложны, включая плавление/ затвердевание и испарение, тепло- и массообмен и т. д.

9
1 О технологии Fused Deposition Modeling
Моделирование с плавным осаждением (FDM) — это процесс аддитивного производства (AП), в котором физический объект создается непосредственно из модели автоматизированного проектирования (CAD) с использованием послойного осаждения исходного пластикового нитевидного материала, экструдированного через сопло. Благодаря своей безопасной и эффективной эксплуатации, долговечности, низкой стоимости и способности обрабатывать инженерные термопласты производственного класса, он стал одним из наиболее широко используемых АП-процессов в промышленности для функциональных прототипов и малообъемного производства. Используя систему FDM, инженеры могут легко преобразовать свои концептуальные модели или дизайн деталей любой сложности в точные физические модели в обычной офисной среде.
Процесс FDM был изобретен и запатентован Скоттом Крампом в 1988 году. Он основал компанию Stratasys в 1989 году в Миннесоте. Stratasys продала свою первую машину FDM, 3D Modeler, в 1992 году. За эти годы компания Stratasys несколько раз занимала позицию лидера рынка устройств аддитивного производства в мире.
После недавнего истечения срока действия оригинальных патентов
Stratasys FDM на рынке появилось несколько недорогих портативных версий
3D-принтеров, подобных FDM, что добавило ему популярности и более широкого использования на любительском и потребительском рынке.
Поскольку моделирование плавленого осаждения и FDM являются торговыми названиями, используемыми Stratasys, производители других подобных систем используют различные названия, такие как моделирование расплавленной экструзии, изготовление плавленых нитей и т. д. Помимо проектирования и применения функциональных прототипов, процесс FDM получил значительное внимание в секторе исследований и разработок в нескольких областях, включая улучшение качества деталей, совершенствование технологических процессов, разработку новых материалов и применение в биомедицинской инженерии, тканевой инженерии и инструментальной технике. В этой главе дается обзор процесса, возможностей и материалов Stratasys FDM, а также представлен подробный обзор научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных за последние годы с использованием технологии FDM.
1.1 Процесс FDM
В общем случае существует четыре этапа изготовления деталей по технологии FDM:
1. САПР-моделирование;
2. Предварительная обработка на программном обеспечении FDM;
3. Сборка деталей на машине FDM;
4. Удаление опоры на изготовленных частях.

10
Во-первых, твердотельная модель САПР должна быть создана в любой
САПР-системе и преобразована в формат стереолитографии (STL), который является граненым приближением модели. Затем STL-файл модели предварительно обрабатывается с помощью программного обеспечения FDM.
Эта предварительная обработка состоит из нескольких важных этапов, включая определение ориентации детали на объеме сборки, нарезку на тонкие горизонтальные слои, выбор различных параметров и генерацию опор.
Ориентация модели STL подходящей детали важна для минимизации или устранения опор и улучшения отделки поверхности. В зависимости от типа используемой машины FDM параметры процесса могут включать ширину растра, стиль сборки, угол растра, воздушный зазор, размер наконечника сопла, температуру модели и т. д. Для каждого срезанного слоя программа предварительной обработки генерирует "пути инструмента" или инструкции по сборке для головки сжижителя для создания каждого слоя. Предварительно обработанный файл модели и опор, называемый файлом Stratasys machine language (SML) или CMB-файлом в некоторых машинах FDM, затем передается FDM-машине для сборки деталей.
В FDM-машине исходная нить из термопластичного материала вытягивается из катушки в головку ожижителя приводными колесами, в которой она нагревается до полужидкого состояния и затем экструдируется в виде ультратонких шариков через отверстие наконечника сопла, установленного в нижней части головки. Исходная нить опорного материала вытягивается из другой катушки в головку ожижителя для осаждения опорного материала через другой наконечник сопла, когда это необходимо. На рис. 1 показана схема основного процесса FDM, а на рис. 2 - схема головки ожижителя с модельным потоком материала. Головка движется под управлением компьютера и наносит материал тонкими слоями на неподвижное основание.
Деталь создается слой за слоем, и материал затвердевает сразу же после осаждения с наконечника сопла и приклеивается к предыдущему слою. Камера сборки может быть установлена на температуру ниже температуры плавления экструзионного пластика, чтобы помочь процессу строительства. Затем готовая деталь готова к удалению из машины. Опорные конструкции впоследствии удаляются путем отрыва их от детали или погружения всей модели в раствор. Точность и аккуратность детали зависят от параметров процесса, и некоторые высококачественные машины FDM обеспечивают чрезвычайно высокую точность и аккуратность. Согласно Stratasys, точность и аккуратность процесса FDM также являются результатом координации скоростей подачи материала и движения головки ожижителя.

11
Рисунок 1
−
Схематическая иллюстрация процесса FDM
Рисунок 2
−
Головка ожижителя FDM
1.2 Параметры процесса FDM
Поскольку
FDM
— это процесс экструзионного типа, высококачественные машины FDM предлагают ряд технологических параметров, которые позволяют пользователю контролировать форму, размер и внутреннюю структуру изготавливаемой детали. Это позволяет пользователю изготавливать детали от полностью твердых до сотовых структур с различной прочностью деталей, качеством поверхности, точностью и механическими свойствами. Они также влияют на время сборки.
Основные параметры включают высоту среза (толщину слоя), диаметр наконечника модели, температуру сборки модели, стиль заливки детали, стиль интерьера детали, ширину растра, угол растра и воздушный зазор растра.
Пользователь должен выбрать эти параметры при предварительной обработке
STL-файла в программном обеспечении FDM. Некоторые из этих параметров определены ниже.
1.2.1 Высота среза
Высота среза — это толщина слоя, при которой модель STL нарезается для сборки деталей. Толщина слоя относится к расстоянию, пройденному в направлении z между последовательными слоями, и оказывает прямое

12 влияние на время сборки и качество поверхности наклонных поверхностей.
Значение выбранной высоты среза зависит от типа машины FDM, размера наконечника модели и типа используемого материала. Типовой размер наконечника, используемый на машине FDM, допускает заданное значение толщины слоя. Например, в машине FDM Vantage минимальная толщина слоя
0,1778 мм может быть использована для типоразмера наконечника модели
T10. Более толстые слои требуют меньшего времени сборки, но с низким качеством отделки поверхности.
1.2.2 Размер наконечника модели
Размер модельного наконечника — это диаметр экструзионного сопла модельного материала. Наконечник завинчивается в нижней части головки ожижителя. Каждый размер наконечника позволяет использовать диапазон толщины слоя и ширины дороги. Например, машина FDM Vantage S допускает четыре размера наконечника (T10, T12, T16 и T20) для материала ABS с высотой среза от 0,1270 до 0,3302 мм.
1.2.3 Температура сборки модели
Температура сборки модели относится к температуре нагревательного элемента для модельного материала в головке ожижителя. Он контролирует вязкость расплавленного материала, который выдавливается из наконечника.
1.2.4 Ширина растра
Ширина растра или ширина дороги — это ширина борта, нанесенного с кончика модели на слой. Ширина растра изменяется в зависимости от размера наконечника, выбранного в машине FDM. Например, он варьируется от 0,3048 до 0,7298 мм для размера наконечника T12 для материала ABS на машине
Vantage S.
1.2.5 Растровый угол
Угол растра — это угол траектории растрового инструмента, нанесенный относительно оси x таблицы построения. Типичные допустимые растровые углы составляют 0-90º или от 0º до 90º с шагом 15º. Например, выбор 45 градусов создаст траекторию растрового инструмента, наклоненную под углом 45º к оси x в первом нижнем слое, а затем в каждом последующем слое вверх направление траектории инструмента будет чередоваться. На рис.
3 показан пример некоторых технологических параметров FDM в наплавленном слое круглого сечения.

13
Рисунок 3 − Параметры процесса FDM в слое, созданном осажденными дорогами
Рисунок 4 − Стили заливки деталей: (а) растры, (б) контуры/растр и (в) контуры
1.2.6 Воздушный зазор
Для траекторий инструмента в слое можно задать три типа воздушных зазоров. Воздушный зазор между растром и растром — это зазор между соседними путями растровых инструментов для твердотельно-нормального стиля внутренней части. Воздушный зазор разреженной заливки детали используется для указания зазора между соседними путями растровых инструментов при использовании внутреннего стиля разреженной заливки детали. Воздушный зазор между периметром и растром — это зазор между самым внутренним контуром и краем растровой заливки внутри контура.
1.2.7 Стиль заливки деталей
Стиль заливки детали определяет шаблон заливки или траекторию инструмента шарика, нанесенного соплом в каждом слое для построения твердотельной модели. Во-первых, периметр или граница создается как замкнутый контур с начальной и конечной точками. Затем внутренняя часть слоя заполняется дорогами выбранной ширины и толщины одним из трех способов: растр, контур или контур/растр. Наиболее часто используется стиль заливки − растр. Как показано на рис. 4, стиль растровой заливки состоит из растрового движения наконечника вперед и назад внутри определенных

14 областей периметра для заполнения всей области, стиль контурной заливки состоит из нескольких замкнутых контурных движений наконечника внутри определенной области периметра до тех пор, пока выбранная область не будет полностью заполнена, контур/растровый шаблон представляет собой комбинацию первых двух подходов, так что заполнение области происходит серией контурных движений с последующим растровым заполнением остальной внутренней области. Траектория инструмента растровая заливка назад и вперед наклонена к оси x на заданный угол, называемый углом растра.
Слои заполняются различными направлениями растра.
1.2.8 Стиль внутренней части
Внутренний стиль детали определяет, должен ли каждый слой заполняться без воздушного зазора или заданного воздушного зазора между путями растрового инструмента. Это позволяет внутренней части детали быть цельной или сотовой. Обычно используются три типа внутренних стилей: сплошной нормальный, разреженный и разреженный-двойной плотный. В твердом нормальном типе нет воздушного зазора между траекториями инструмента. Слой полностью заполнен, и деталь твердая, без пустот.
Каждый слой в твердотельно-нормальном типе будет таким же, но с чередующимся однонаправленным растровым рисунком, как показано на рис.
5. В разреженном типе существует определенный воздушный зазор между траекториями инструмента. Каждый слой в разреженном типе будет одинаковым, но с чередующимся однонаправленным растровым рисунком, как показано на рис. 6. Разреженный тип минимизирует количество используемого строительного материала.
Разреженный-двойной плотный тип очень похож на разреженный тип, за исключением того, что он использует перекрестный растровый шаблон
(вместо однонаправленного) в каждом слое, как показано на рис. 7. Это обеспечивает дополнительную прочность внутренней конструкции, но при этом используется меньше модельного материала по сравнению с твердотельно-нормальным типом. Как в разреженном типе, так и в разреженно-двойном плотном типе система также позволяет строить небольшое заданное количество твердых нормальных слоев выше и ниже слоев, содержащих разреженную заливку. Это обеспечивает внешне выглядящую твердую деталь, сохраняя при этом экономию используемого модельного материала.
Рисунок 5 − Сплошной-нормальный тип детали внутреннего стиля