Файл: Учебное пособие Иваново 2018.pdf

41
Струйный плоттер – это печатающее устройство, которое создает элементы изображения капельками чернил, вылетающими из сопла со скоростью, достаточной, чтобы преодолеть зазор между соплом и поверхностью, на которой формируется изображение (рис. 5.3). Хотя струйный принцип печати известен уже давно, эти устройства так и оставались бы экзотикой, если бы не изобретение, ставшее основой для "взрывного" распространения струйной технологии – это технология "пузырьковой" струйной печати (bubble-jet). Первый и основной патент на нее принадлежит
Canon.
Рис. 5.3. Струйный плоттер
Технология "пузырьковой" струйной печати использует направленное распыление капелек чернил на бумагу при помощи мельчайших сопел печатающей головки. В стенку сопла встроен нагревательный элемент. При подаче электрического импульса температура его резко возрастает за 7-10 мкс.
Практически все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом мгновенно испаряются. Расширение пара вызывает ударную волну. Под действием избыточного давления капелька чернил "выстреливается" из сопла.
После "выстрела" чернильный пар конденсируется, пузырек схлопывается и в сопле образуется зона пониженного давления, под действием которого новая порция чернил всасывается в сопло.

42
Лазерные плоттеры базируются на электрографической технологии.
Они используют в качестве промежуточного носителя вращающийся барабан, покрытый слоем полупроводника. Заряженные лучом лазера области полупроводника притягивают сухой тонер, который потом переносится на проходящую под барабаном бумагу. После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, под действием тепла тонер запекается и закрепляется на бумаге, создавая изображение (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Принцип работы лазерного плоттера
Электростатические
плоттеры.
Электростатическая технология основывается на создании скрытого электрического изображения
(потенциального рельефа) на поверхности носителя – специальной электростатической бумаги, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями для обеспечения требуемых влажности и электропроводности. Потенциальный рельеф формируется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при возбуждении тончайших электродов записывающей головки высоковольтными импульсами напряжения.

43
Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, частицы тонера оседают на заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла с соответствующими тонерами.
Термографические плоттеры делятся на устройства прямого вывода изображения и устройства на основе термопередачи. В первых изображение создается на специальной термобумаге
(бумаге, пропитанной теплочувствительным веществом) длинной (на всю ширину плоттера)
«гребенкой» миниатюрных нагревателей. Термобумага, которая обычно подается с рулона, движется вдоль «гребенки» и меняет цвет в местах нагрева.
Изображение получается высококачественным (разрешение до 800 тнд), однако только монохромным.
В плоттерах на основе термопередачи между термонагревателями и бумагой размещается «донорный цветоноситель» – тонкая, толщиной 5-20 мкм, лента, обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой основе с низкой (менее 200 °С) температурой плавления. На донорной ленте последовательно нанесены области каждого из основных цветов размером, соответствующим листу используемого формата. В процессе вывода информации бумажный лист с наложенной на него донорной лентой проходит под печатающей головкой, которая состоит из тысяч мельчайших нагревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За проход наносится один цвет, и изображение получается за четыре прохода.
По производительности плоттеры делятся на графопостроители с высокой, средней, малой производительностью.
Производительность электромеханических графопостроителей определяется динамическими параметрами устройства: максимальной скоростью и ускорением пишущего элемента.

44
По точности устройства плоттеры делятся на прецизионные – предназначенные для изготовления подлинников конструкторской документации, шаблонов, карт и т.д., средней точности – для контрольных прорисовок чертежей и схем и малой точности – для эскизной прорисовки в основном с экранов графических дисплеев.
Графопостроители могут работать автономно, воспринимая исходные данные с промежуточного носителя – диска, непосредственно с ЭВМ, используя интерфейсы различных типов.
Графопостроители состоят из трех основных частей: блока механизма, блока управления исполнительными каналами устройства и системы управления.
Блок механизма представляет собой планшетный или барабанный механизм, предназначенный для организации перемещения в плоскости чертежа пишущих элементов, а также их подъема и опускания.
Блок управления исполнительными каналами по координатам x и y строится как по замкнутому принципу (с использованием обратной связи), так и по разомкнутому принципу. В первом случае для привода применяются малоинерционные двигатели постоянного тока с датчиком обратной связи по положению и скорости, во втором случае – шаговые двигатели.
В современных плоттерах часто комбинируют печатающую и сканирующую головки, установленные на одной каретке.
Такое многофункциональное устройство позволяет не только выводить на печать электронные чертежи и схемы, но и сканировать ранее созданные документы
(например, выполненные вручную чертежи), а также создавать копии документов без их ввода в CAD-системы.
5.2. 3D-принтеры
3D-принтер – это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. 3D-печать

45
может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов. Она широко используется для быстрого прототипирования.
Быстрое прототипирование (rapid prototyping) – технология быстрого создания физических геометрических макетов деталей и сборок, позволяющих оценить внешний вид детали, проверить элементы конструкции, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья.
Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
Технологии быстрого прототипирования начали развиваться в 80-х годах
ХХ века и преимущественно основаны на принципе постепенного наращивания
(добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным моделям. Построение прототипа происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами. Большинство известных САПР обеспечивают экспорт моделей в формате STL, являющемся стандартом де-факто для быстрого прототипирования. Модель, записанная в этом формате, разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования по Z-координате. Построение детали происходит послойно до тех пор, пока не будет получен физический прототип.
Принципиальная схема всех устройств прототипирования одинакова: на рабочий стол наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем стол смещается на шаг вниз, и наносится следующий слой. Таким образом, слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели, реализуя требуемую форму. Основным различием между технологиями являются используемый материал и способ его нанесения. Остановимся на самых основных технологиях.

46
Стереолитография
(Stereolithography,
SLA) является первым появившимся и наиболее распространенным методом прототипирования.
Принцип метода состоит в послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом, направляемым сканирующей системой. Стол-элеватор находится в емкости с жидким фотополимером, шаг вертикального перемещения варьируется в диапазоне 0,025–0,3 мм, что позволяет получать достаточно хорошее качество поверхности.
Рис. 5.5. Схема стереолитографического процесса
После полимеризации получается достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Среди недостатков SLA обычно называют высокую стоимость оборудования и расходного материала.
Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS) – это метод аддитивного производства, который заключается в спекании мелкодисперсного порошкового материала с помощью лазера. В качестве рабочего материала используются порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к конструкционным маркам. На поверхность наносится тонкий слой порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую массу, соответствующую сечению 3D-модели и определяющую геометрию детали.

47
SLS – это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей и формообразующих для пластмассового и металлического литья. Прототипы из пластмасс обладают хорошими механическими свойствами, могут быть использованы для создания полнофункциональных штучных изделий.
Рис. 5.6. Схема SLS процесса
Ламинирование листовых материалов (Laminated Object Manufacturing,
LOM). Технология подразумевает последовательное склеивание листового материала (бумаги, пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения созданной детали мелко порезанные излишки материала легко удаляются.
Рис. 5.7. Схема LOM процесса

48
Структура полученного прототипа похожа на древесную, боится влаги.
Особенностью технологии LOM является низкая себестоимость благодаря общедоступности расходных материалов. Однако разрешение печати несколько уступает таким высокоточным методам, как стереолитография (SLA) или выборочное лазерное спекание (SLS).
Многоструйное моделирование (Multi Jet Modelling, MJM).В этой технологии головка, содержащая от двух до десятков сопел, наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя могут проводиться его фотополимеризация и механическое выравнивание.
В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного – широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными механическими свойствами – от эластичных, похожих на резину, до твердых, похожих на пластики. Эта технология, помимо высокого качества получаемых моделей, достаточно просто реализуется в небольших габаритах, буквально в виде 3D- принтеров, доступных многим.
Рис. 5.8. Схема процесса струйной 3D печати
Простейший из процессов "струйной" объемной печати – моделирование
методом послойного наплавления (Fused deposition modeling, FDM). Изделие производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.

49
Пластиковая нить разматывается с катушки и поступает в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель.
Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование искусственных опор, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.
В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие.