Повышение эффективности КТПП за счет использования быстрого прототипирования

Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
1
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
2
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
3
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
5
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
6
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Содержание
Введение………………………………………………………………………………………….9
Глава 1 Обзор источников……………………………………………………………………..10
1.1 Задачи обзора источников…………………………………………………………...10
1.2 Технология 3D-печати методом послойного наплавления – FDM/FFF…………..10
1.3 Деламинация деталей и отлипание от рабочего стола 3D-принтера в процессе
FDM/FFF-печати……………………………………………………………………..11
1.4 Особенности конструкции рабочего стола различных моделей принтеров……...15
1.5 Самодельные средства повышения адгезии стола принтера………………………18
1.5.1 Гравированная акриловая пластина…………………………………………...18
1.5.2 Добавление адгезионных дисков и фасок………………………………….....19
1.5.3 Использование перфорированных плат………………………………………20
1.5.4 Использование подручных средств…………………………………………...21
1.5.5 Промышленные средства повышения адгезии стола принтера……………..25
1.6.1 Адгезионные самоклеящиеся пленки…………………………………………26
1.6.2 Жесткие адгезионные плиты и пластины……………………………………..31
1.6.3 Адгезионные гибкие съемные пластины……………………………………...34
Выводы по Обзору источников………………………………………………………….38
Глава 2 Разработка концепции и выбор материала нового средства повышения адгезии
рабочего стола FDM/FFF мини- и микро-принтеров………………………………………...39
2.1 Составление критериев к средству………………………………………………….39
2.2 Устройство с абразивной пластиной и покрытием………………………………...40
2.3 Выбор материала адгезионной пластины…………………………………………...43
2.4 Получение пробных заготовок пластин…………………………………………….45
2.5 Обработка заготовок пластин на фрезерном станке с ЧПУ……………………….48
2.6 Подготовка 3D-принтера MZ3d-256 к печати и калибровка его рабочего стола с
установленной пластиной……………………………………………………………52
2.6.1 Общий вид 3D-принтера и его характеристики………………………………52
2.6.2 Подключение принтера к электрической сети и ПК…………………………52
2.6.3 Загрузка пластика в экструдер принтера……………………………………...53
2.6.4 Калибровка рабочего стола принтера…………………………………………55
2.7 Выполнение тестирующей печати на изготовленной пластине-образце…………57
2.8 Нанесение дополнительной адгезионной сетки на поверхность пластины………60
Выводы по Главе 2………………………………………………………………………..62
Глава 3 Изготовление и сборка функционального устройства……………………………...63
3.1 Разработка новых устройств на основе ранее полученных результатов………….63
3.2 Получение УП обработки заготовок пластин устройств и методика работы в
системе Autodesk ArtCAM 2018……………………………………………………..65
3.2.1 Общая информация о системе…………………………………………………65
3.2.2 Экспорт файла пластины из AutoCAD в формат .stl и загрузка в ArtCAM...66
3.2.3 Назначение параметров обработки пластин и получение УП………………67
3.2.4 Сохранение полученных УП…………………………………………………..73
3.3 Загрузка УП в систему Artsoft Mach3Mill…………………………………………..74
3.4 Настройка фрезерного станка с ЧПУ Aman 3040…………………………………..75
3.5 Запуск обработки по УП……………………………………………………………..76
3.6 Выполнение обработки пластин из LasilCast 2 по полученным УП……………...76
3.7 Выполнение опытного изготовления пластин из LasilCast 1515………………….79
Выводы по Главе 3……………………………………………………………………….81
Глава 4 Обратный инжиниринг. Восстановление и предпечатная подготовка сломанной
детали……………………………………………………………………………………………82
7
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.1 Понятие обратного инжиниринга и примеры восстановленных деталей………...82
4.2 Анализ исходной сломанной детали………………………………………………...85
4.3 Этапы разработки новой модели детали……………………………………………87
4.4 Постпечатные изменения в геометрии модели……………………………………..88
4.5 Конвертация модели в формат .stl и предпечатная подготовка в модулях 3Dпечати в САПР………………………………………………………………………..89
4.5.1 Конвертация модели в формат .stl в AutoCAD 2018…………………………89
4.5.2 Конвертация модели в формат .stl в SketchUp Pro…………………………...91
4.5.3 Конвертация модели в формат .stl в Cimatron E11…………………………...92
4.5.4 Конвертация модели в формат .stl во Fusion 360……………………………..94
4.5.5 Конвертация модели в формат .stl в Inventor Professional 2017……………..96
4.5.6 Модуль подготовки к 3D-печати в Inventor Professional 2017………………97
4.5.7 Подготовка .stl-модели в Autodesk Print Studio……………………………..100
4.6 Влияние полигональности на качество моделей формата .stl……………………103
4.6.1 Быстрый просмотр .stl-модели в Microsoft 3D Builder……………………...103
4.6.2 Быстрый просмотр .stl-модели в ModuleWorks STL View………………….105
4.6.3 Методика увеличения полигональности модели в AutoCAD 2018, Inventor
Professional 2017 и во Fusion 360……………………………………………107
4.7 Устранение незамкнутостей в геометрии .stl-модели в Autodesk Netfabb Premium
2019 и Microsoft 3D Tools Repair…………………………………………………...109
4.7.1 Методика работы в Autodesk Netfabb………………………………………..109
4.7.2 Методика работы в Microsoft 3D Tools Repair………………………………113
4.8 Настройка параметров 3D-печати в слайсере Cura 15.04.6………………………115
4.8.1 Рекомендации по подбору параметров печати для различных типов
деталей…………………………………………………………………………126
4.9 Повторная печать подготовленной детали на принтере Anycubic i3 Mega……..128
4.9.1 Печать на принтере Ultimaker 2+…………………………………………….128
Выводы по Главе 4………………………………………………………………………130
Глава 5 Конструкторско-технологическая подготовка производства с учетом специфики
предприятия ОАО «Ярославский Электромашиностроительный Завод» (ОАО
«ЭЛДИН»)……………………………………………………………………………………..131
5.1 Исходные данные……………………………………………………………………131
5.2 Цифровая подготовка производственной модели к 3D-печати………………….132
5.3 Печать тестирующих образцов, монтаж образца на оснастке, получение литейных
форм и готовой отливки…………………………………………………………….133
Выводы по Главе 5………………………………………………………………………135
Заключение…………………………………………………………………………………….136
Список использованных источников………………………………………………………...137
Приложения
Приложение А – Отчет о проверке работы на плагиат
Приложение Б – Таблица созданных файлов
8
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Введение
Аддитивное производство, или 3D-печать – процесс создания трехмерных объектов
практически любой геометрической формы на основе их цифровых моделей. Концепция
3D-печати основана на построении объекта наносимыми слоями в последовательности с
3D-моделью. Фактически, 3D-печать противоположна таким традиционным методам
механического производства, как фрезерная обработка, резка, где формирование изделия
происходит за счет удаления материала заготовки (субтрактивное производство).
Моделирование изделий методом послойного наплавления пластиков (филаментов)
было разработано С. Скоттом Трампом (S. Scott Trump) в конце 1980-х годов и получило
распространение в 1990 году силами компании Stratasys. Уже в настоящий момент, в связи
с истечением срока действия патентов компании, появились большие сообщества, как
частных производителей принтеров с открытым исходным кодом (проект RepRap), так и
крупных коммерческих организаций, использующих данную технологию. Как следствие,
стоимость подобных устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения.
Процесс 3D-печати методом наплавления материала подразумевает создание слоев
за счет экструзии быстро застывающего филамента в виде микрокапель или тонких нитей.
Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием
расплава через сопло. Перемещение экструдера контролируется шаговыми двигателями, с
помощью производственного ПО, привязанного к микроконтроллеру, например, Arduino.
Производственный цикл начинается с предпечатной подготовки 3D-модели. Модель
в формате .stl или .obj делится на слои (слайсинг) и ориентируется наиболее подходящим
образом на столе 3D-принтера. При необходимости генерируются поддерживающие
структуры (поддержки), необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые
устройства позволяют использовать двуэкструдерную печать разными филаментами во
время одного производственного цикла. Например, возможна печать изделия из ABSфиламента, но с поддержками из водорастворимого PVA, что позволяет с легкостью
удалять структуры уже после завершения процесса печати.
Предпечатная подготовка, как .stl-файла модели, так и самого 3D-принтера, является
неотъемлемой частью аддитивного производства. Соответственно, на данных этапах
становится необходимым применение специальных технологических средств, и модулей к
САПР, чтобы напечатать деталь в соответствии с требованиями заказчика к качеству и
точности воспроизведения. Такими компаниями, как Stratasys, MakerBot, Bosh и Dremel,
выпускающими дорогостоящие принтеры для использования на производствах, обычно
разрабатывается лицензированное ПО, в котором заранее предоставлены все инструменты
для слайсинга, а также работы с .stl-файлом – «ремонта», установки поддержек, расчета
напряжений, и т.д. Однако подобное ПО не находится в свободном доступе и не может
быть совместимо с упрощенными принтерами массового пользователя.
Аналогично обстоит ситуация со средствами повышения качества печати, которыми
оснащаются профессиональные 3D-принтеры (термокамера, подогреваемый рабочий стол
с адгезионным покрытием). Так, практически во всех моделях «портативных» принтеров,
эти средства не предусмотрены в силу упрощения конструкции и ориентирования, опять
же, на массового пользователя, что приводит к ухудшению качества печати (отлипанию,
деламинации) и использованию только PLA для изготовления малогабаритных деталей.
Поэтому основной задачей, решению которой была посвящена данная работа, стало
исследование повышения качества 3D-печати изделий методом послойного наплавления,
путем разработки специального быстросъемного устройства повышения адгезии рабочих
столов портативных 3D-принтеров, а также применением доступных модулей и слайсеров
для быстрого просмотра, «ремонта» .stl-файлов. – их цифровой подготовки. В завершение,
разработанные оснастку и подготавливающую файлы методику требовалось апробировать
в условиях машиностроительного производства.
9
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Глава 1 Обзор источников
1.1 Задачи Обзора источников
•
•
•
•
•
Перед выполнением исследований были поставлены задачи:
привести практические примеры деформации изделий в результате отлипания и
деламинации (расслоения) в процессе FDM/FFF 3D-печати или после ее окончания;
отметить конструктивные особенности рабочих столов различных моделей
FDM/FFF-принтеров, приводящие к утрате адгезии слоев пластика;
провести обзор пользовательских средств повышения адгезии. Отметить их
недостатки;
провести обзор средств и оснастки для повышения адгезии, выпускаемых фирмамипроизводителями принтеров или аксессуаров к ним. Отметить недостатки;
вывод.
1.2 Технология 3D-печати методом послойного наплавления – FDM/FFF
«FDM (Fused deposition modeling) – одна из самых популярных технологий 3Dпечати. Наряду с аббревиатурой FDM для обозначения данной технологии используется
FFF (Fused Filament Fabrication) (рисунок 1). На сегодняшний день насчитывается
несколько десятков различных компаний, предлагающих свою продукцию на основе
данной технологии. Главная и определяющая причина популярности FDM-принтеров –
это стоимость как самих принтеров, так и расходных материалов. На большую
распространенность данной технологии влияет также широкий спектр материалов для
печати и доступность комплектующих для сборки оборудования своими руками. Можно
выделить три основные группы 3D-принтеров по возрастающей шкале «цена–качество–
надежность»:
•
домашние настольные (десятки тыс. руб.);
•
профессиональные (сотни тыс. руб.);
•
промышленные (млн руб.)» [1, с. 117].
«Основными недостатками FDM-технологии являются:
•
невысокая скорость печати 5–30 см3/ч, приводящая к большим временным затратам
(более 10 часов) при печати объемных моделей;
•
небольшая разрешающая способность печати как по горизонтали (0.2–1 мм), так и по
вертикали (0.05–0.4 мм), что приводит к видимой слоистости модели;
•
проблемы с фиксацией модели на рабочем столе» [1, с. 118].
Рисунок 1 – 3D-печать изделия по технологии FDM/FFF (технология. png)
10
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
В Быстром Прототипировании (БП) предпечатная подготовка оборудования для
FDM-печати – это важная процедура при изготовлении изделия. Ввиду технологических
особенностей данного метода, требуются грамотные решения на этапе наладки 3Dпринтера, помогающие довести изделие до вида, удовлетворяющего требованиям
заказчика. В данном случае приходится решать проблемы точного повторения
геометрической формы 3D-модели, выбора и сплавления материала. Следовательно,
проведение правильной наладки оборудования направлено на избежание нарушения
геометрии и появления различных дефектов при печати изделий. Важно также обратить
внимание и на адаптацию самой модели, например, выделение у нее плоского основания
для фиксации на столе принтера, на котором производится процесс печати. Это
необходимо для устранения смещений детали по осям координат и сохранения заданной
геометрии.
Однако, плоское основание не является достаточным решением, обеспечивающим ее
жесткое прилипание к столу принтера. Задача сохранения адгезии между первичными
слоями материала, формирующими основание, и контактной поверхностью стола встает
перед всеми пользователями FDM-принтеров [2]. Особенно данная проблема актуальна
при печати пластиками с высокой степенью усадки при охлаждении, например, ABS.
«Готовая модель может при этом потерять до 0,8-1% своего объема. Такое явление
зачастую приводит к значительному деформированию объекта, при котором первые слои
могут отслаиваться от стола, закручиваться или трескаться. В связи с высокой усадкой
использование ABS для построения больших объектов (более 150x150x150 мм) методом
FDM-печати становится практически невозможным, вследствие сильной деформации» [3].
Для решения данной проблемы, различными пользователями и производителями
принтеров разрабатывается и выпускаются специальные средства для рабочих столов. В
каждом из этих средств реализован свой отдельный подход к повышению адгезии
большинства видов пластиков, однако ни одно из них не является полностью
универсальным и не лишено недостатков, которые выявляются в процессе эксплуатации.
Таким образом, при изготовлении моделей по технологии FDM, в большинстве
случаев требуется внедрение дополнительных технических средств, повышающих
качество печати. Актуальной является задача разработки специального адгезионного
покрытия для FDM 3D-принтеров с различными габаритными размерами столов,
обеспечивающего жесткую фиксацию детали на протяжении всего времени печати
основными видами пластиков, включая ABS.
1.3 Деламинация деталей и отлипание от рабочего стола 3D-принтера в процессе
FDM/FFF-печати
Деформации основания детали в процессе печати, и как следует, отлипанию (англ.
warping) от контактной поверхности стола могут способствовать различные факторы,
которые не всегда могут быть учтены в полной мере. Особенно, это может относиться к
пользователям, только начинающим освоение 3D-печати. Чтобы произвести обзор
основных факторов, влияющих на адгезию, обратимся к руководству за авторством Ed
Tyson, размещенного на портале Rigid. ink [4].
В начале данного руководства автор подтверждает, что «деформация – это одна из
самых распространенных проблем, возникающих в 3D-печати. Скручивание при печати
может не всегда приводить к катастрофическому повреждению печатаемого объекта, как
некоторые другие проблемы. Однако, приводит к тому, что объект деформируется
достаточно, чтобы выглядеть неприемлемо и непрофессионально. В худшем случае,
деформированная модель может с выпасть с нагретого стола, что приведет к ее полному
выходу из строя (рисунок 2)» [4].
11
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 2 – Примеры отлипания деталей в процессе печати (отлипание. png) [4]
По мнению автора, основной причиной деформации является неравномерное
охлаждение модели в процессе печати и по его завершению. Усадка, взаимосвязанная со
скоростью охлаждения, приводит к появлению напряжений вдоль боковых поверхностей
объекта и стягивает его углы вверх и во внутрь [4].
Другой пользователь Scott Cahoon на сайте MatterHackers.com также разделяет
данную позицию в статье «How to Stop Filament Warping in 3D Printed Parts»: Он пишет, что:
«Деформация нити вызвана усадкой материала во время отверждения и/или охлаждения
модели после процесса печати (рисунок 3). Она может возникать в трехмерных деталях с
большим количеством граней поверх печатной платформы (стола). Кроме того, более
крупные слои над слоем поверхности стола, могут увеличить деформацию. Это относится
также к деталям с более высоким процентом заполнения, поскольку имеется большее
количество материала для усадки. В результате, во время процесса 3D-печати нужно быть
бдительным, чтобы предотвратить потерю времени на дополнительную печать из-за
отлипания» [5].
Рисунок 3 – Стягивание углов деталей при усадке материала (стягивание. png) [5]
Оба пользователя сходятся во мнении, что решение проблемы отлипания детали
может быть достигнуто двумя методами. Одно из них – поддержание постоянной
температуры прогрева всей модели на протяжении процесса печати. Это добавляет, в
свою очередь, необходимость помещения области печати в специальную термокамеру с
принудительным нагревом воздуха, что уже успешно было реализовано компанией
Stratasys в таких профессиональных FDM-установках, как Fortus 450mc и Mojo (рисунок
4) [6].
12
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 4 – FDM-установки Stratasys Fortus 450mc, Mojo и пример напечатанного образца
филаментом Ultem 1010 (фортус. png) [6]
Применение камеры во многом также способствует предотвращению деламинации
(от англ. delamination – «расслоение») в изделии. На рисунке 5 представлены примеры
коробчатых изделий, напечатанных из ABS-пластика фирмы REC при комнатной
температуре и имеющих на углах расслоения, отмеченные красным цветом.
Рисунок 5 – Примеры деламинации на коробчатых изделиях из ABS-пластика
(деламинация. png)
Попыткой заменить термокамеру уже на более доступных моделях, как, например,
Picaso Designer, Wanhao Duplicator i6 и PrintBOX3D 120, можно считать пластиковый
кожух, закрепляемый на раме принтера, и удерживающий воздух, нагреваемый
экструдером и столом (рисунок 6). Недостатком данного решения является неравномерная
циркуляция воздуха, что может привести к перегреву электронных компонентов.
13
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 6 – 3D-принтеры с температурным кожухом: Picaso Designer, Wanhao Duplicator
i6 и PrintBOX3D 120 (кожух. png)
Кроме термокамеры, как отмечает Ed Tyson, требуется, в первую очередь, оснастить
принтер подогревом стола (второй метод):
«Ранее стол с подогревом был мало распространен. По этой причине возникла
тенденция очень быстрого остывания пластика после начала экструзии, и скручивание
ABS встречалось повсеместно. Сегодня большинство пользователей печатает на
отапливаемом столе, заставляющем напечатанный объект охлаждаться намного
медленнее. Это уменьшает напряжения, вызванные усадкой» [4].
Также автор отмечает, что нагревательный элемент не всегда покрывает весь стол,
поэтому его края могут недостаточно нагреваться (рисунок 7), в зависимости от модели
принтера [4]. В качестве иного варианта Ed Tyson приводит термограмму подогрева стола
популярного принтера Prusa i3 Mk2 (рисунок 8) и описание к ней:
«Основная температура стола с полным подогревом составляет 590C, но более
холодная область находится в центре. По этой причине небольшие детали, которые
обычно располагаются посередине стола, могут отлипнуть, а более крупные – напротив,
печатаются удовлетворительно» [4].
«Стоит также отметить, что если платформа стола изготовлена из алюминия или
стекла, толщиной более 5 мм, то термометр может показать требуемый нагрев, но
фактически, поверхность еще не будет нагрета полностью. В подобном случае следует
подождать 10 мин. для более равномерного прогрева, что может определить итоговый
результат печати» [4].
Рисунок 7 – Схема зависимости отлипания детали от температуры разных зон стола
(температура1. png) [4]
14
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 8 – 3D-принтер Prusa i3 Mk2 и термограмма его стола при температуре нагрева
590C (температура2. png) [4]
Следующая проблема, связанная с подогревом стола на некоторых бюджетных 3Dпринтерах, заключается в больших временных затратах на преднагрев. Так, пользователем
VMKKruser на форуме 3DToday.ru разобран его собственный способ модификации
принтера Anet A6, вызванной необходимостью ускорить нагрев стола, занимавший от 30
до 40 мин. для достижения температуры 80-900С при печати ABS и 90 мин. для 1100С при
использовании HIPS [7]. Замене подверглись нагревательный элемент и реле, была
переработана конструкция рамы стола (рисунок 9).
Рисунок 9 – Измененная конструкция стола принтера Anet A6 (стол анет. png) [7]
1.4 Особенности конструкции рабочего стола различных моделей принтеров
Как было отмечено в предыдущем пункте, одним из двух эффективных средств
повышения адгезии является установка нагревательного элемента на рабочий стол (англ.
build plate, printing bed, print surface). Однако, на данный момент существует ряд моделей
принтеров, которые изначально не оснащены подогревом, однако имеют возможность
модификации. В этом случае, пользователю приходится дополнительно приобретать и
устанавливать термоэлемент от производителя принтера (рисунок 10). В ином – возникает
необходимость его самостоятельного изготовления или подгонки уже имеющегося от
другого оборудования, что может привести к нестабильному нагреву.
15
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 10 – Приобретаемый термоэлемент стола дельта-принтера Micromake D1 и его
установка (микромэйк. png)
Наиболее часто проблема с установкой нагрева встречается у целого класса 3Dпринтеров, развивающегося в последнее время, а именно мини- и микро-принтеров.
Подобное оборудование создается в качестве базы для любителей или начинающих
пользователей, которые печатают детали относительно малых размеров. Основная цель,
преследуемая их производителями, заключается в разработке максимально упрощенной
конструкции. Это касается и узла рабочего стола, не предусматривающего установку
термоэлемента в некоторых мини-принтерах, изображенных на рисунке 11: M3D Micro (и
клон Easythreed E3D), XYZ DaVinci Mini, Toybox 3D (и клон Createbot SuperMini),
Pxmalion Mini, Instone Easier, BIQU Magician, Creality CR-100, Monoprice Select Mini.
Cтол мини-принтера может быть выполнен в виде гибкого листа, как, например, на
Creality CR-100 (рисунок 12) или легкосъемной пластины, как на BQ Witbox GO (рисунок
13) [8]. Оба варианта оснащены магнитным креплением. Также встречаются и
комбинированные варианты с жестким основанием и съемным покрытием (рисунок 14).
Рисунок 11 – Некоторые модели мини-принтеров без нагрева стола (мини-принт. png)
16
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 12 – Гибкое магнитное покрытие стола мини-принтера Creality CR-100 (креалити.
png)
Рисунок 13 – Съемный рабочий стол мини-принтера BQ Witbox GO, изготовленный из
боросиликатного стекла (bq. png) [8]
Рисунок 14 – Комбинированное покрытие стола мини-дельта-принтера BIQU Magician
(BIQU. png)
В частности, именно отсутствие возможности оснастить подобные принтеры
подогревом стола, ограничивает их функциональность, то есть печать может выполняться
только одним конкретным видом пластика, изначально имеющим более высокую адгезию,
например, PLA, но с дополнительной подложкой (англ. raft) под деталью (рисунок 15) [9].
В случае печати ABS происходит быстрое отлипание, как отмечено на рисунке 12
красным цветом [10].
17
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 15 – Результаты печати PLA- и ABS-пластиками на мини-принтере M3D Micro
(отлипание2. png) [9, 10]
Основываясь на опыте других пользователей, можно сделать вывод, что добавление
подогрева стола оправдано с точки зрения технологии FDM, но не является
универсальным решением. Тем не менее, в сочетании с другими профилактическими
решениями снижает вероятность деформации печатаемой детали.
К тому же у нагревательных платформ имеются и свои минусы, причем не только (и
не столько) связанные с повышенной энергоёмкостью или безопасностью для
пользователя, сколько с постоянным циклом их нагрева/охлаждения, в результате
которого возможна деформация самого материала платформы, что негативно может
сказаться на ровности ее поверхности и точности процесса формообразования.
1.5 Самодельные средства повышения адгезии стола принтера
1.5.1 Гравированная акриловая пластина
Сталкиваясь с необходимостью использования в работе пластиков с различными
физико-механическими свойствами, в том числе и ABS, пользователи принтеров как с
подогревом стола, так и без, вынуждены применять различные дополнительные средства
повышения адгезии. Большинство из них представляет собой специальные пленки,
пластины и плиты, выпускаемые отдельными производителями. Однако, отдельно стоит
отметить попытки некоторых пользователей самостоятельно решить проблему отлипания
детали, и впоследствии получившие определенное распространение.
Так пользователем Chalker7 с портала Instructables.com была изготовлена акриловая
пластина, толщиной 8 мм [11]. На контактную поверхность пластины при помощи
лазерного гравера Epilog Mini 35 нанесена текстура, предварительно составленная в
программе Inkscape. Готовая пластина устанавливалась на стол принтера UP Plus 2
(рисунок 16) и была апробирована печатью пластиком ABS при температуре нагрева
стола, равной 1000С.
Рисунок 16 – Пластина на столе принтера UP Plus 2 и ее структура (акрил. png) [11]
18
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Кроме детали, представленной на рисунке 16, автор не приводит каких-либо других
деталей, изготовленных с применением данной разработки. Однако, при попытке
воспроизведения другими пользователями, возникали проблемы с температурными
деформациями пластины при нагреве в 700С, а его отключение приводило к утрате
адгезии [11]. Также, по словам автора, главное преимущество покрытия заключалось в его
долговечности и возможности быстрого восстановления текстуры. При этом, повторное
текстурирование не может быть проведено без лазерного гравера для достижения
требуемой шероховатости.
1.5.2 Добавление адгезионных дисков и фасок
Устанавливаемая в слайсере кайма (англ. brim) вокруг детали – стандартное простое
средство, снижающее вероятность отлипания. Тем не менее, на портале MatterHackers.сom
предлагается на этапе проектирования модели самостоятельно добавлять кайму в только
тех местах, где это необходимо:
«Есть следующие особенности проектирования модели в САПР. Одной из них
являются площадки. Как правило, это круглые элементы (диски), которые добавляются в
области основания модели, в зонах возможной деформации, такие как острые углы или
сильно детализированные поверхности (рисунок 17). Диски – это отличный выбор для
моделей, которым не требуется полная кайма. Их стандартный диаметр равен 20 мм, а
центр круга расположен по краю периметра. Толщина диска должна быть такой же, как
высота первого слоя пластика» [5].
«Другим вариантом является увеличение площади детали путем моделирования
фасок (рисунок 17). Фаски помогают обеспечить плавный переход к столу принтера. Угол
перехода должен быть не более 450 (обычно около 15-200), а толщина рядом с моделью не
должна превышать 1 мм. Фаска обеспечивает более равномерное охлаждение по всему
основанию, что также снижает вероятность отлипания» [5].
Рисунок 17 – Добавленные диски и фаски в основании детали (фаски. png) [5]
Данный метод, безусловно, является полезным в использовании, однако, в отличии
от каймы, удаление дисков и фасок требует обработки режущим инструментом и
шлифованием.
1.5.3 Использование перфорированных плат
Целью печати ABS-пластиком без необходимости использования подогрева стола,
руководствовались также пользователи с портала 3dprinting-blog.com [12]. В своей работе
авторы упоминают, что ориентировались на более раннюю разработку [13]. Идея
заключалась в нанесении пластика поверх перфорированных пластин, используемых в
производстве печатных плат. При нанесении материал должен был вдавливаться в
отверстия, и, таким образом, фиксировать деталь на столе.
19
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Для эксперимента было приобретено несколько различных пластин, что
впоследствии, по словам авторов, привело к удовлетворительным результатам при
изготовлении малогабаритных объектов (рисунок 18) [12]. Также в статье указаны
следующие условия использования данных пластин:
«Необходимо печатать модели с подложкой, чтобы получить удовлетворительное
качество. Обратите внимание, что у этого решения есть некоторые недостатки и другие
неудобства, которые были обнаружены при испытаниях. Например, отсутствие пластин с
необходимой площадью, а приобретенные, в итоге, не покрыли стол полностью.
Приобретенные платы имели некоторые деформации, поэтому печать проводилась на
наиболее плоской из них, для получения наилучших результатов. Другой момент связан с
необходимостью снятия пластины и ручной чистки отверстий после изготовления каждой
последующей детали (рисунок 18), так как при загрязнении платы возникает вероятность
повторного отлипания» [12].
Рисунок 18 – Малогабаритная деталь, напечатанная поверх пластины ABS-пластиком и
засорение отверстий (плата. png) [12]
Несмотря на то, что данный способ является пользовательским, некоторые из
производителей 3D-принтеров, такие как ZORTRAX, берут его на вооружение. Так
принтеры Zortrax M200-M300 оснащаются перфорированным столом с подогревом
(рисунок 19). Поверхность стола выполнена металлической, а не текстолитовой и имеет
несколько контактных площадок для «зануления» сопла.
Подготовка подобного стола к печати кропотливая и занимает большой промежуток
времени, так как необходимо удалить из ячеек все остатки пластика (рисунок 20) и
обезжирить поверхность. Во время выполнения данной процедуры также возрастает риск
повреждения стола шпателем или лезвием, а его ремонт является дорогостоящим.
Рисунок 19 – Перфорированный рабочий стол 3D-принтера Zortrax M200 (зортракс. png)
20
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 20 – Процесс очистки стола Zortrax M200 от пластика (зортракс2. png)
1.5.4 Использование подручных средств
«Аэрозольные спреи-адгезивы технического назначения (для временного контакта с
материалом): 3M Scotch-Weld 75, Tesa 60023, Krylon®Easy-Tack, UHU 3-in-1.
Использование данных технических спреев (рисунок 18) позволяют добиться
удовлетворительного результата в случае изготовления невысоких малогабаритных
деталей с относительно невысокой площадью контакта со столом. Они образуют на стекле
равномерный клеевой слой, который по окончании процесса можно удалить с платформы
с помощью специальных аэрозольных растворителей, например, 3M Cleaner Spray, Tesa
60040, Krylon®Adhesive Remover и последующей промывкой в тёплой воде. Однако, в
случае изготовления крупногабаритных моделей контактного усилия может оказаться
недостаточно, чтобы выдержать сдвиг моделей с платформы, загибание углов при
большой горизонтальной поверхности контакта с платформой. К тому же обязательная
очистка платформы растворителями может быть недопустимой, например, в учебных
заведениях или офисах» [14].
К другим аэрозольным составам можно отнести специальные адгезионные лаки,
выпускаемые производителями аксессуаров для принтеров, например, LAC IMPRESION
3D (рисунок 21), распыляемые на контактную поверхность в 1-2 слоя перед началом
печати. Несмотря на высокие адгезионные свойства подобные лаки эффективны не со
всеми видами филаментов, без дополнительного нагрева стола. Справедливо сказать, что
они рассчитаны, в основном, на приклеивание PLA- и PET-G-пластиков.
Рисунок 21 – Аэрозольные составы, применяемые для повышения адгезии стола принтера
(спреи. png) [14]
При использовании лаков и других аэрозолей следует контролировать толщину
наносимых слоев, ввиду избегания чрезмерной адгезии, что может приводить к
повреждению детали при ее снятии со стола (рисунок 22) [15].
21
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 22 – Разрушение детали при попытке снятия со стола (повреждения. png) [15]
Как аналогичный метод можно привести покрытие стола расплавленным материалом
печати. Предварительно растворенный используемый пластик, например, ABS в ацетоне,
наносится на контактную поверхность кистью или губкой. Этот способ обеспечивает
требуемый результат, но имеет и недостатки. Например: ядовитые испарения,
как при нанесении, так и при печати, избыточное сцепление с платформой, что может
привести к повреждению готовой детали или самой поверхности, необходимость каждый
раз обновлять покрытие, трудоемкая очистка платформы принтера (рисунок 23) [16].
Вдобавок, равномерное нанесение раствора возможно только на стол с отключенным
нагревом, по причине быстрого испарения ацетона при температурах, близких к 1000С,
что способствует образованию наплывов и разводов.
Рисунок 23 – Повреждение поверхности стола после многократного снятия деталей
(повреждения2. png) [16]
«К другим подручным средствам можно отнести малярные ленты и скотчи (рисунок
24): 3M Scotch-Blue 2090 (США), Tesa 4323 (Германия). Практический опыт их
использования показал, что требуемый результат можно получить только в случае
негабаритных деталей с малой площадью контакта с платформой, а в случае габаритных
моделей очень вероятен отрыв их краев от ленты. Также, из-за быстрого износа, после
каждой печати необходимо обновлять наклеенную ленту. При съёме, на нижней
поверхности детали могут оставаться трудноудалимые остатки скотча» [14].
«Находят применение и подложки на основе плёночных материалов (рисунок 24):
•
с односторонним клеевым слоем - 3M IJ25-20R, Lomond Laser Film;
•
с двухсторонним клеевым слоем - Orabond 1334, Tesafix 4917, LG 5000, Poli-fix 345;
•
термостойкие карманы для ламинирования» [14].
22
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 24 – Печать деталей на клейкой ленте 3M Scotch-Blue 2090 и подложка Orabond
1334 (скотч. png)
«При использовании односторонних подложек на полиэфирной основе, толщиной
100 мкм, их наклеивают липким слоем непосредственно на стол, а на матовой или
прозрачной глянцевой стороне печатается деталь. За счёт высокой температуры филамент
приваривается с верхним слоем подложки. Данный тип покрытия позволяет изготавливать
детали различных габаритов, однако, как и в случае с лентами, на нижней части детали
могут оставаться трудноудалимые остатки» [14].
Специальную ленту в своей работе с установкой Stratasys Mojo применил и
MrErdreich с портала Instructables.com [17]. Он указывает, что заводской стол постоянно
засорялся остатками пластика, которые было трудно удалить полностью (рисунок 25).
Чтобы обеспечить быстрые снятие напечатанной детали и очистку стола, автор наносит на
него клей и пленку – «transfer tape» (рисунок 26) [17]. В дальнейшем клеевой слой
обновлялся через каждые 20-50 печатей, в отличие от одноразовой пленки, удаляемой
вместе с деталью (рисунок 27). Печать выполнена специальным филаментом от Stratasys.
Рисунок 25 – Засорение стола установки Stratasys Mojo (стратазис. png) [17]
Рисунок 26 – Нанесение пленки «transfer tape» на стол (нанесение пленки. png) [17]
23
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 27 – Напечатанная деталь и остатки клеевой подложки после снятия пленки (итог
печати. png) [17]
Последним из самодельных методов является использование клея БФ-2,
растворенного в изопропиловом спирте в процентном соотношении 1:3. Способ был
предложен отечественным YouTube-пользователем Mbs Electonics в 2016 году и позже
подробно описан на сайте Musbench.com [18]. Как и в случае с раствором ABS в ацетоне,
состав наносится на холодный стол кистью, с отличием в матировании наждачной
бумагой после высыхания. Далее выполняется печать (рисунок 28) [19].
Рисунок 28 – Печать ABS-пластиком от FDPlast поверх нанесенного состава (клей БФ.
png) [19]
Автором были приведены достоинства применения данного состава:
•
«устойчивая адгезия. Деталь удерживается на горячем столе, но отклеивается после
окончания печати и остывании стола ниже температуры 70-800С, что зависит от
размеров детали и свойств пластика;
•
состав не токсичен;
•
долговечность покрытия и возможность повторного использования. Адгезия слоя
легко восстанавливается полированием наждачной бумагой, повторным нанесением»
[18].
К недостаткам автор относит следующее:
•
избыточная адгезия самого состава к столу принтера. Несмотря на возможность
повторной печати по ранее использованному слою, возникает необходимость его
периодического обновления. Удаление отработанного слоя трудоемко и требует
режущего инструмента, растворителя [18].
Также можно отметить, что некоторые пользователи не смогли добиться сходных
результатов печати, вновь столкнувшись с отлипанием на небольших деталях [19].
В заключение необходимо сказать, что практически все вышеописанные способы
имеют ряд недостатков, ограничивающих использование пользовательскими мастерскими
и не позволяющих применить их в производственных или лабораторных условиях. Таким
образом, становится необходимым рассмотреть средства повышения адгезии,
выпускаемые производителями для профессионального использования.
24
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
1.6 Промышленные средства повышения адгезии стола принтера
В настоящее время множество производителей FDM 3D-принтеров занимаются
созданием различных средств повышения адгезии филаментов к рабочему столу.
Преследуется цель разработки покрытия, обладающего термо- и износостойкостью, а
также возможностью быстрой установки и снятия со стола принтера. При этом
разработчики стараются достичь «оптимальной» величины адгезии, заключенной в
жесткой фиксации детали при нагреве стола и ее отлипании без деформаций после печати,
при охлаждении. Таким образом, деталь должна «привариваться» к покрытию, но без
дальнейшей диффузии, чтобы избежать повреждений контактной поверхности.
Чтобы решить данную задачу, производителями применяются различные
полимерные композиции, резины и пластины из композитных материалов. Но наиболее
популярными из на данный момент являются адгезионные пленки и специально
обработанные стекла. Некоторые компании, такие как Wanhao или Prusa, изначально
снабжают свои 3D-принтеры собственными покрытиями, которые, однако, не являются
долговечными (рисунок 29) [20], не обеспечивают требуемой адгезии без нагрева стола, и
могут быть заменены аналогами.
Рисунок 29 – Поврежденные покрытия-оригиналы столов принтеров Wanhao Duplicator i3
и Prusa i3 Mk2 (повреждения3. png) [20]
Необходимо отметить, что в данной работе представлены наиболее известные
модели адгезионных покрытий на 2018 год по версиям некоторых популярных
зарубежных и отечественных порталов, а также отдельных пользователей,
профессионально работающих в области FDM-печати. Множество средств, находящихся
на этапах разработки и тестирования, могут быть не включены в работу, так как на
данный момент не заявлены или мало распространены с отсутствием отзывов от широкой
аудитории.
Ниже, в таблице 1 перечислены основные типы промышленных средств и их
названия.
25
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Таблица 1. Типы и названия промышленных средств повышения адгезии
Самоклеящиеся
пленки
Гибкие съемные и
магнитные пластины
Жесткие плиты и
пластины
BuildTak
ZebraPlate (PRINTinZ
plate)
Ultimaker Carbon
build plate
CoroPad
(имеет и магнитную
фиксацию)
LokBuild
Prototipum
Anycubic Ultrabase
GeckoTek
MakerBot build
plate
Kapton
EasyPeelzy
MAMORUBOT
PEI
TL-FlexPlate
Гаролит
Flashforge
PrintBite+
CCTREE
FilaPrint
Zortrax perforated
build plate
-
Monoprice (III P)
FLEKS 3D
-
1.6.1 Адгезионные самоклеящиеся пленки
Большинство пленок для повышения адгезии представляют собой полимерную
основу с клеевой подложкой. Контактная поверхность выполнена зернистой и по своей
структуре напоминает наждачную бумагу. Подобные листы рассчитаны на совместное
использование с нагревом стола и могут работать при температурах до 1500С, что важно
при печати ABS-пластиком. Один из наиболее известных представителей пленок –
BuildTak, выпускаемая компанией Ideal Jacobs Corporation [21].
Идея BuildTak появилась с приобретением компанией для собственных нужд 3Dпринтера и столкновением с проблемой отлипания детали. После применения опыта
компании в разработке подложек и клеящихся материалов, была создана рабочая
специальная поверхность, коммерциализация которой началась в 2013 году [22].
На сегодняшний день BuildTak, как и большинство подобных пленок, доступен в 13
размерах, поэтому первым шагом следует выбрать подходящий лист для стола принтера.
Перед установкой необходимо удалить защитную наклейку и поместить лист на стол,
аккуратно разглаживая его шпателем или пластиковой картой (рисунок 30). Важно
добиться отсутствия воздушных пузырей под пленкой. Поверхность стола перед
наклеиванием должна быть очищена от остатков пластика и предыдущих растворов и
обезжирена [22].
Последний шаг – установка стола с BuildTak на принтер, проведение калибровки.
BuildTak наиболее эффективен с расстоянием между соплом и поверхностью: ABS – 0.1
мм, а для PLA – 0.2 мм, как рекомендует производитель [22].
26
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 30 – Установка покрытия BuildTak на принтер Ultimaker Original (билд. png) [22]
Производителем BuildTak проверено несколько разных типов пластиков и
выработаны следующие рекомендации:
•
PLA: стандартные настройки для PLA, без использования нагрева стола (рисунок
31);
•
ABS: стандартные настройки для ABS (нагрев стола с в пределах 100 – 1100C);
•
Laybrick или Laywood: стандартные настройки для PLA;
•
HIPS: стандартные настройки для ABS (нагрев стола в пределах 100 – 1100C);
•
PET+: стандартные настройки для PLA;
•
Для печати гибким филаментом, у производителя рекомендаций пока нет [22].
Рисунок 31 – Печать PLA-пластиками на покрытии BuildTak без нагрева стола (билд2.
png) [22]
•
•
•
•
Преимущества пленки BuildTak:
повышает адгезию контактной поверхности стола при использовании основных
типов филаментов;
обладает повышенной износостойкостью в сравнении с некоторыми другими
пленками, например, Каптоном (Kapton);
при правильной калибровке нижняя поверхность напечатанных изделий не имеет
дефектов [22].
Недостатки:
не заменяет нагрев стола. В случае с ABS-пластиком лист BuildTak не устраняет
отлипание, но минимизирует его. Следовательно, когда представители BuildTak
заявляют, что их продукт работает с ABS, это значит, что, нагрев стола необходим
(рисунок 32);
27
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
•
03.06.2019 10:00.pdf
в случаях печати пластиками Nylon и PETT деталь может не приклеиться к
покрытию. Таким образом, возникает необходимость дополнительно применять
кустарные средства, описанные ранее, что снижает срок эксплуатации [22].
Рисунок 32 – Примеры отлипания от BuildTak при печати ABS-пластиком без нагрева
стола (билд3. png) [22]
Пользователи сообщают, что при использовании PLA и рабочего стола без нагрева
срок эксплуатации данного покрытия составляет более 250 часов, а при печати ABS и
подогревом – 50-100 часов [22].
Существует несколько альтернативных вариантов адгезионных пленок, аналогичных
BuildTak по структуре и свойствам. К ним можно отнести лист COROPad, использование
которого неоднозначно. Как отмечает пользователь YouTube Thomas Sanladerer в своем
видеоанализе средств повышения адгезии: «COROPad отлично работает при не нагретом
столе и печати PLA- и PET-пластиками. С другой стороны, при печати с нагретым столом,
тестирующие детали избыточно приклеивались, а при снятии были повреждены вместе с
самим покрытием (рисунок 33). Применение ABS с COROPad возможно, но дает
переменный результат. В целом, если у Вас есть возможность печати на холодном столе,
то так и следует сделать» [23].
Другие клоны BuildTak – это пленки CCTREE и Flashforge sheet (рисунок 34),
практически не отличающиеся от оригинала в использовании.
Рисунок 33 – Дефекты печати на покрытии COROPad (коропэд. png) [23]
Рисунок 34 – Адгезионные пленки CCTREE и Flashforge sheet (аналоги. png)
28
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Классическими полимерными покрытиями считаются, в основном, Каптон и PEI.
Каптон – это специальная полиамидная пленка, наклеиваемая на рабочий стол принтера с
применением мыльного раствора, что влечет необходимость обязательного удаления
остатков воздуха. Если покрытие приклеено не качественно, возникают неровности и
пузыри, впоследствии срываемые соплом экструдера и снижающие качество печати
нижней поверхности детали (рисунки 35) [24]. Другой недостаток Каптона заключается в
его недостаточной адгезии к PLA-пластику, в отличие от ABS [25]. Однако, и применение
последнего может потребовать подогрева стола и нанесение раствора ABS в ацетоне [25].
В целом, данное средство не долговечно, особенно, при частной печати на разных
температурных режимах, что приводит к деформациям и отклеиванию пленки в углах
стола. Так на наклеенном листе можно изготовить, в среднем, 10-15 деталей без
необходимости замены [24], занимающей большой промежуток времени из-за удаления
клеевой подложки.
Рисунок 35 – Дефекты, образующиеся при наклеивании Каптона (каптон. png) [24]
Справедливо отметить, что использование Каптона может быть обоснованным,
например, при разработке собственного оборудования для конвейерной FDM 3D-печати
(рисунок 36) [26], запатентованного компанией MakerBot в 2014 году (рисунок 37) [27]. В
данном случае покрытие стола должно быть быстросъемным для оперативной замены и
обладать эластичностью, обеспечивающей натяжение в валках, а также отлипание деталей
без участия оператора.
Рисунок 36 – Каптоновая лента на столе-конвейере принтера Сreality (каптон2. png) [26]
29
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 37 – Устройство конвейерной печати от MakerBot (мэйкербот. png) [27]
Полиэфиримидная пленка (PEI) – другое покрытие, популярное в области FDMпечати (рисунок 38) [28]. Производится различными фирмами, например, 3М (рисунок
38), в виде самоклеящихся листов, толщиной от 2 мм. К достоинствам PEI можно отнести:
•
бюджетную цену комплекта листов;
•
удовлетворительную адгезию при подогреве стола, без использования клея или
растворов;
•
качественную нижнюю поверхность напечатанных деталей;
•
относительно малые деформации при нагреве [28].
Рисунок 38 – Печать на PEI-пленке (pei. png) [28]
Недостатки PEI, отмеченные некоторыми пользователями [28, 29]:
•
избыточная адгезия, которая может привести к разрушению напечатанной детали во
время ее снятия со стола;
•
необходимость использования растворителей для обезжиривания поверхности перед
началом печати;
•
пленка проявляет адгезионные свойства к филаментам, в частности, к PLA, только
при нагреве стола более 600С [29];
•
PEI легко повредить соплом экструдера или шпателем при снятии детали.
«Вывод заключается в том, что лист PEI также не является универсальной панацеей
от проблем с адгезией. Тем не менее, он может быть применен в качестве попытки решить
эту проблему, минимизируя временные затраты на настройку параметров печати» [28].
К наиболее удачным разработкам среди пленочных покрытий можно отнести еще
один аналог BuildTak под названием LokBuild. Разработчик средства – компания
Steelmans, в 2016 году организовавшая стартап проекта Kickstarter [30], позиционирует его
как универсальную платформу для печати большинством видов филаментов (рисунок 39)
[30] при наличии подогреваемого стола, как и в случае с BuildTak. Главным отличием
30
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
LokBuild является величина адгезии, необходимая для печати изделий с малыми
габаритными размерами основания, как с добавлением каймы, так и без (рисунок 40) [31].
Рисунок 39 – Печать различными видами филаментов на покрытии LokBuild (локбилд.
png) [30]
Рисунок 40 – Печать лопасти на LokBuild пластиком PLA без нагрева стола (локбилд2.
png) [31]
Множество Западных пользователей оставляют положительные отзывы после
использования LokBuild на своих принтерах. Однако, покрытие не решает одну из
главных задач, а именно, качественной печати изделий пластиками с повышенной усадкой
(например, ABS) при отсутствии подогрева стола.
Таким образом, большинство рассмотренных адгезионных пленок заслуживают
внимания и доказывают свою эффективность при печати с нагретым столом. Следует
отметить, что несмотря на достоинства каждое из этих покрытий обладает и рядом
недостатков, не позволяющих сказать, что на данный момент проблема отлипания решена
полностью.
1.6.2 Жесткие адгезионные плиты и пластины
Другим направлением развития покрытий является разработка термостойких
пластин, состоящих из нескольких слоев композитных материалов и жестко закрепляемых
на рабочем столе 3D-принтера. Как правило, в их основании лежит обработанное стекло,
31
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
покрытое адгезионным материалом. Примером является рабочий стол Ultrabase от
компании Anycubic. Его контактная поверхность выполнена перфорированной и состоит
из специального напыления поверх компаунда, нанесенного на основу – боросиликатное
стекло (рисунок 41) [32].
Рисунок 41 – Печать изделий на принтере Anycubic i3 Mega с покрытием Ultrabase
(ультрабаза. png) [32]
При работе с Ultrabase требуется печать только с нагретым столом, что следует
отнести к недостаткам данного покрытия. Причиной является утрата адгезионных свойств
при отключенном нагреве, что приводит к необходимости нанесения дополнительных
составов. Так, при использовании раствора ABS-пластика в ацетоне на холодном
Ultrabase, адгезия избыточна, что может привести к повреждению детали при ее снятии и
самого покрытия (рисунок 42).
Рисунок 42 – Повреждения детали и покрытия Ultrabase при избыточной адгезии
(ультрабаза2. png)
Среди представителей пластин следует отдельно выделить съемный стол 3Dпринтеров MakerBot Replicator+ и Mini (рисунок 43). В данном случае покрытие
выполнено в виде гибкого полимерного кожуха с наклеенной адгезионной пленкой,
аналогичной BuildTak. Гибкость кожуха предоставляет возможность его деформирования
для более простого отделения напечатанной детали.
Однако вследствие того, что принтеры MakerBot не оснащаются подогревом стола,
подобное средство рассчитано только на печать PLA-пластиком. Также, как отмечают
пользователи с портала 3DToday, данный стол имеет следующие недостатки [33]:
•
низкая износостойкость пленки от фирмы-производителя принтера;
•
печать PLA-пластиком выполняется только на подложке, что приводит к
дополнительному расходу материала;
•
деформирование кожуха при многократном снятии деталей [33];
•
стол не может быть установлен на принтеры от других производителей.
32
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 43 – Гибкий кожух стола принтера MakerBot Replicator+, напечатанные PLAпластиком детали с подложкой и отлипание от пленки (мэйкербот2. png)
Немецкой компанией RepRap для повышения адгезии предлагаются специальные
углепластиковые пластины с глянцевой контактной поверхностью (рисунок 44),
применяемые совместно с подогревом стола [34]. Их основное достоинство заключается в
«контроле» отлипания детали, происходящем только после остывания стола, за счет
усадки материала. Аналогичный принцип реализован и в покрытии Ultrabase. Таким
образом, решается проблема избыточной адгезии и ее последствий, приведенных ранее на
рисунке 22.
Рисунок 44 – Печать деталей ABS-пластиком на углепластиковой пластине от RepRap с
подогревом стола (карбон. png)
К недостаткам выпускаемого RepRap покрытия следует отнести отсутствие в нем
крепежных элементов, а также единый размер самой пластины 250х200х2 мм для всех
принтеров. Процесс подгонки пластины под конкретный принтер, во избежание
повреждений поверхности при ручной обработке, должен выполняться с задействованием
станка с ЧПУ, и представленном на рисунке 45 [35]. В данном случае УП для станка была
получена в САПР Rhinoceros 3D [35].
Среди других недостатков: высокая стоимость листа, по сравнению с пленками более 27 €, нестабильность адгезии, возникающая у некоторых пользователей, в том числе
при печати детали с каймой. [36, 37].
Рисунок 45 – Процесс адаптации углепластикового покрытия RepRap под принтер
Ultimaker Original (подгонка. png) [35]
33
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Одна из последних разработок в области адгезионных плит – MAMORUBOT
Platform, выпускаемой одноименной Китайской компанией в изначальной комплектации с
габаритными размерами 370х310х3 мм для 3D-принтера Tevo Tornado (рисунок 46) [38].
Пластина является съемной, изготавливается из полипропилена, имеет глянцевую
контактную поверхность и может быть доработана под стол другого принтера.
Рисунок 46 – Печать PLA-пластиком на пластине MAMORUBOT, закрепленной на столе
принтера Tevo Tornado (мбот. png) [38]
Как отмечает YouTube-пользователь Ruiraptor в обзоре адгезионных пластин [39],
достоинства MAMORUBOT заключаются в:
•
отсутствии деформаций при нагреве стола до 1000С;
•
возможности использования обеих сторон пластины для печати;
•
не требуются дополнительные подложки (стекло) для калибровки.
Недостатки:
•
нестабильная адгезия, в частности, к гибкому филаменту Flex;
•
отключение или установка минимального охлаждения пластика во избежание
отлипания;
•
скорость печати первых слоев детали для получения прилипания – для PLA это
около 15 мм/с;
•
очистка поверхности растворителем после каждой печати, что приводит к
матированию и ухудшению адгезии [39].
С первым из недостатков также соглашаются и пользователи, оставляющие отзывы
под другим обзором пластины, утверждая, что на практике, к MAMORUBOT не
прилипает пластик PET-G и, в некоторых случаях, PLA [40].
В целом большинство из представленных выше плит не могут быть полноценно
применены на производстве по причине существенных недостатков. Главными из них, попрежнему, является невозможность печати без подогрева стола, даже PLA-пластиком,
нестабильность адгезии первых слоев, низкая износостойкость некоторых образцов и
необходимость самостоятельной доработки покрытия под определенный принтер. С
другой стороны, последний пункт отчасти компенсируется выпуском зарекомендовавшего
себя покрытия Ultrabase не только для Anycubic i3 Mega, но и к разным принтерам,
начиная с 2018 года.
1.6.3 Адгезионные гибкие съемные пластины
Последнее, третье направление разработки средств объединяет в себе первые два
(пленки и плиты) и представлено гибкими съемными пластинами. Подложкой подобного
покрытия, как правило, является либо стальной лист, толщиной до 2 мм, либо пластина из
полимерных композиций. Контактная поверхность может быть выполнена глянцевой
(PrintBite) или зернистой (COROPad), как у BuildTak. На столе принтера лист обычно
34
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
фиксируются при помощи прижимов, дисковых магнитов или магнитных ковриков
(magnetic base), наклеиваемых на стол и подложку (рисунок 47).
Рисунок 47 – Гибкая адгезионная съемная пластина COROPad Flexible (коропэд2. png)
В отличие от другого гибкого покрытия стола - кожуха MakerBot, съемные пластины
изготавливаются с различными габаритными размерами или могут быть вручную
доработаны.
Основываясь на результатах, представленных в обзоре [39], сравним некоторые из
наиболее распространенных моделей пластин – PrintBite, TL-FlexPlate System и FilaPrint.
PrintBite+ (рисунок 48) [41] изготавливается Английской компанией Flex3drive и
доступна для заказа с официального сайта в стандартной комплектации 300х300х1 мм и с
магнитной или клеевой подложкой. Материал пластины производителем не указывается.
Среди преимуществ использования – адгезия к основным видам филаментов и печать
первых слоев со средней скоростью в 40 мм/с [39]. Однако PrintBite подвержена быстрому
износу, возникающему при интенсивной очистке растворителями. Также покрытие не
имеет дублирующей контактной поверхности, поэтому, при износе заменяется полностью.
Рисунок 48 – Печать на установленной пластине PrintBite+ (принтбит. png) [41]
TL-FlexPlate System производства TriangleLab – это пластина с полимерным
покрытием, имеющая магнитную подложку (рисунок 49) [39]. Пластина быстро
устанавливается и снимается со стола принтера, а напечатанная деталь легко отделяется,
что способствует быстрому старту новой печати, особенно, в случае получения брака.
После деформации FlexPlate самостоятельно выравнивается при установке на стол [39].
Основной недостаток данного средства заключается в ограничении его
использования при максимальной температуре подогрева стола, равной 700С [39]. Таким
образом, печать ABS-, Flex-, HIPS-пластиками, становится недоступной, так как нагрев
требуется свыше 95-1000С.
35
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 49 – Печать на гибкой съемной пластине TL-FlexPlate System (тл-флекс. png) [39]
Покрытие FilaPrint считается одним из наиболее адаптированных для FDM-печати
различными филаментами, кроме Нейлона (Nylon) [39]. Разработчиком предлагаются
варианты с различными габаритными размерами до 310х310х3 мм, в виде гибкой
магнитной пластины «Switch» или жесткого листа, фиксируемого клеем [43]. Материал
пластины производителем не указывается. Отмечено, что поверхность имеет повышенную
адгезию к основным видам филаментов, не деформируется при нагреве, обеспечивает
печать первых слоев с высокой скоростью, например, для PLA = 50 мм/с [39]. Готовые
детали также отлипают при остывании стола.
Применение FilaPrint может ограничиваться тремя недостатками – существенным
понижением адгезии без подогрева стола, высокой стоимостью – 120$ за лист 310х310х3
мм, и печатью без применения Нейлона.
Примеры печати PLA-пластиком с температурой нагрева стола, равной 600С, на
FilaPrint представлены на рисунке 50 [44, 45].
Рисунок 50 – Печать деталей PLA-пластиком на принтере CTC с закрепленной пластиной
FilaPrint (филапринт. png) [44, 45]
Последний из известных представителей гибких съемных пластин – ZebraPlate или
PRINTinZ от одноименной Американской компании, выпущенный на рынок в 2015 году
[46]. Предшественником покрытия послужил NinjaPlate, изготовленный в ограниченном
количестве для тестирования среди пользователей в 2013 году.
ZebraPlate представляет собой композитную пластину с двумя контактными
поверхностями, состоящую из полимерного материала и гибкой армирующей прослойки
(рисунок 51) [46]. Обе поверхности для печати выполнены из одного и того же материала,
но черного и белого цвета. Это сделано для того, чтобы пользователь мог контролировать
равномерность нанесения первичных слоев пластика любого цвета. Пластина не имеет
собственной системы крепления к столу, как магниты или коврик, поэтому ее необходимо
фиксировать зажимами.
«Zebra Plate бывает разных размеров, поэтому подбирается практически под любой
3D-принтер, представленный на рынке, начиная от MakerBot, Ultimaker или Printrbot и
36
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
заканчивая RepRap-сборками. Стоимость варьируется в диапазоне 13-50$. Выпускается
также пластина стоимостью 70$ с габаритными размерами 270х300 мм» [47].
Рисунок 51 – Печать на пластине ZebraPlate и отделение готовых деталей (zplate. png) [46]
«Помимо PLA, на ZebraPlate можно печатать изделия из ABS, но она не подходит
для изготовления крупных моделей или моделей с заполнением 100%, так как они могут
быть перегретыми, деформировать пластину и испортить поверхности. Если при
использовании ABS стол принтера нагревается до 1100С, то температура поверхности
достигает 70-800С. Производитель советует пользователям избегать нагрева пластины
выше 500С и делать это только в случае крайней необходимости» [47].
Второй существенный недостаток ZebraPlate заключается в ее затрудненной очистке
после печати, как и в случае со столами принтеров Zortrax M200 (рисунок 20) и Stratasys
Mojo (рисунок 25), если подложка была сильно приклеена. Чтобы подготовить пластину,
требуется острым инструментом или шпателем срезать, а затем вручную зашлифовать
остатки пластика и обезжирить растворителем (рисунок 52) [48]. После нескольких
повторений данной процедуры возникает риск быстрого износа пластины и снижения
плоскостности. Также при частом деформировании пластины при отделении готовых
деталей, у ZebraPlate наблюдается частичная утрата памяти формы.
Рисунок 52 – Процесс очистки ZebraPlate от остатков подложки (zplate2. png) [48]
Рассмотрев варианты гибких адгезионных пластин, можно сделать вывод о том, что
данное направление разработки перспективно, во многом за счет ускорения подготовки
рабочего стола принтера к новой печати. Одновременно сохраняется плоскостность
покрытия, что необходимо для получения качественного изделия. Тем не менее, гибкие
пластины объединяются общим недостатком с остальными видами покрытий, а именно в
требовании к интенсивному нагреву стола. При этом, необходимо учитывать, что у
некоторых моделей стойкость к нагреву ниже 50-600С (например, у ZebraPlate или TLFlexPlate System), ограничивая изготовление деталей на принтере только пластиком PLA.
37
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Выводы по Обзору источников
В настоящей главе на основе многочисленных источников были приведены
практические примеры деформации изделий в результате отлипания в процессе печати,
доказывающие актуальность данной проблемы в БП. Также отмечены конструктивные
особенности рабочих столов различных моделей FDM 3D-принтеров, приводящие к
утрате адгезии первичных слоев пластика, формирующих основание печатаемой детали.
Проведен обзор и пользовательских средств повышения адгезии. Отмечены их
недостатки. Отдельно были рассмотрены средства и оснастка для повышения адгезии,
выпускаемые фирмами-производителями принтеров или аксессуаров к ним. Даны
рекомендации по их использованию.
38
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Глава 2 Разработка концепции и выбор материала нового средства повышения
адгезии рабочего стола FDM/FFF мини- и микро-принтеров.
•
•
•
•
•
•
•
В данной главе работа выполнялась в соответствии с основными этапами:
на основе Обзора источников составить критерии к новому средству с адгезионным
покрытием. Определить его тип;
выполнить разработку и изготовление прототипа средства;
провести тестирующую печать изделий основными видами филаментов (ABS, PLA)
без подогрева стола;
отметить преимущества и недостатки прототипа. Устранить недостатки;
повторные испытания печати изделий;
используя полученные результаты, подготовить тезисы и материалы выступления на
научной конференции;
вывод.
2.1 Составление критериев к средству
Стандартный FDM-принтер оснащается стеклянным или металлическим рабочим
столом. Однако не все филаменты зафиксируются на столе без дополнительных средств, а
также не отлипнет без нарушения геометрии модели после окончания печати. Например,
PLA можно печатать малогабаритные детали без дополнительного нагрева стола или при
относительно невысоких температурах ~ 50-600С (рисунок 53) [49, 50].
Обратная ситуация обстоит с большинством пластиков, для работы с которыми
требуются подогрев и специальные адгезионные покрытия, рассмотренные в Обзоре
источников. Их применение ограничивается быстрым износом пленочных и силиконовых
покрытий при интенсивной эксплуатации, а жесткие плиты могут быть не совместимы с
принтерами разных производителей. Иные методы предлагаются самими пользователями,
однако, носят кустарный характер и не могут быть использованы в условиях производства
[51, с. 173]. Поэтому поиск покрытия для конкретного принтера (и пластика) – путь
экспериментов и ошибок. Иногда пользователю приходится несколько раз повторно
печатать изделие, прежде чем определиться с оптимальным соотношением «филаментпокрытие» [49].
Рисунок 53 – Печать заглушки из PLA на адгезионной пленке Flashforge при температуре
нагрева стола 550С (заглушка. png) [50]
39
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
В целом, большинство адгезионных покрытий, рассмотренных в Обзоре источников,
заслуживает внимания и доказывают свою эффективность, но только при печати с
нагретым столом. Это ограничивает их применение в целом классе FDM-принтеров –
мини- и микро-принтеров, не оснащаемых подогревом стола, что делает невозможным
задействовать их с пластиками с высокой усадкой (ABS, Нейлон). В данном случае печать
пластиками с меньшей усадкой (PLA, PET-G) также может быть затруднена и требовать
добавления подложки, что приводит к повышенному расходу материала.
Представляет интерес разработка специального устройства, предназначенного для
установки и работы в мини- и микро-принтерах без изменения компоновки (добавления
термоэлемента стола и замены блока питания). Другие критерии, как к самому устройству,
так и покрытию на нем:
•
быстросъёмное;
•
легко очищаемое от пластика;
•
заменяемое, с несколькими контактными поверхностями, обладающими стойкостью
к многократной печати;
•
не деформируемое при отделении напечатанных деталей.
Требование к наличию нескольких поверхностей обусловлено необходимостью
быстрого продолжения печати при износе одной из них.
2.2
Устройство с абразивной пластиной и покрытием
Было предложено устройство, концепция которого представлена на рисунке 54,
включающее компоненты: а) дисковую абразивную пластину с габаритными размерами
Ø140х3 мм и зернистостью F800, выполненную из карбида кремния на бакелитовой
связке, б) дополнительный связующий слой между абразивной пластиной и основанием
изделия (на рисунке 54 не показан), в) фиксирующую оснастку [51, с. 173]. Изображенная
конструкция стола относится к принтеру MZ3d-256.
Рисунок 54 – Концепция разработанного устройства с покрытием (схема стола. dwg) [51,
с. 173]
Как показано на рисунке 54, пластина на столе фиксируется оснасткой. Ее главный
элемент – стальное или пластиковое упорное кольцо 1 с отверстиями для установки
прижимов в виде четырех магнитов 2, Ø5х2 мм. Введение магнитов обусловлено быстрым
снятием абразивной пластины 3 и требует замены стандартного алюминиевого стола на
стальное 4.
Для предотвращения смещения пластины вибрациями, возникающими при
движениях стола, на кольце установлены съемные шайбы 5, фиксируемые винтами 6.
40
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Связующий слой состоял из раствора ABS в ацетоне, описанного в п.п 1.5.4, и
наносился на поверхность пластины аэрографом. Размеры слоя зависели от основания
будущей детали и поддержек, а нанесение производилось перед каждой новой печатью
[51, с. 173]. Нанесение раствора предполагало использование компрессора. Так в
лабораторных условиях могут применяться микро-компрессоры или компактные баллоны
со сжатым воздухом (рисунок 55).
Рисунок 55 – Нагнетатели сжатого воздуха для распылителя (распылитель. png)
Для тестирования абразивов пластины на кафедральном принтере MZ3d-256 без
нагрева стола, были подготовлены образцы:
•
на рисунке 56 представлена печать ABS [52], использованного также для напыления.
Пластина была зафиксирована клеем вместо оснастки;
•
увеличенный образец 130х90х3 мм (рисунок 57) [53]. Пластина зафиксирована
винтами на напечатанном основании, толщиной 7 мм, с магнитами (9 шт.), Ø5х2 мм;
•
отдельные пластинки 50х50х3 мм и 35х35х3 мм (рисунок 58) для тестирования
другого напыления – эмали. В качестве оснастки применены силиконовые колодцы
(рисунок 58), отлитые в формах из PLA.
На трех пластинах объекты были напечатаны с каймой. На увеличенной пластине
для печати диска (рисунок 57) каймой являлось напыление.
Рисунок 56 – Печать ABS на абразивной пластине с напылением (печать на пластине1.
png)
Рисунок 57 – Печать деталей ABS на увеличенной пластине с напылением (печать на
пластине2. png) [53]
41
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 58 – Изготовленная оснастка и печать ABS на пластине с эмалью (печать на
пластине3. png)
Как было изложено в тезисах, в ходе печати выявлены достоинства покрытия [51, с.
174]:
•
увеличение степени фиксации детали;
•
сокращение расхода пластика при замене подложки напылением;
•
возможность печати на принтерах без подогрева стола.
•
•
•
•
•
•
•
В дальнейшем были выявлены недостатки абразивов, как покрытия:
одноразовое напыление;
поверхность засоряется трудноудаляемыми остатками пластика (рисунок 59).
Необходимо проводить очистку — например, PLA не прилипнет к ABS;
высокая шероховатость нижней части детали (рисунок 59);
происходит частичное отлипание крупных объектов, что приводит к деформации их
нижней части (рисунок 59). Печать только небольших деталей;
требуется специальное оборудование для напыления, а также изготовления оснастки
и самой пластины с заданными размерами;
выделение паров растворителя при подготовке и распылении раствора;
эмаль может заменять ABS-связку, но остается на детали (рисунок 59).
Рисунок 59 – Засорение абразивной пластины остатками пластика и деформация детали
(засорение пластин. png)
На основе выявленных недостатков дальнейшее применение абразивов в работе не
осуществлялось. Также было принято решение об использовании силиконовых колодцев в
качестве оснастки.
Проведен поиск альтернативных композиций, адгезионных к PLA и ABS и
применяемых в БП. Опытным путем были выбраны литьевые двухкомпонентные
полиуретановые пластики, из которых изготавливались новые образцы пластин.
42
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
2.3 Выбор материала адгезионной пластины
«Двухкомпонентный полиуретан представляет собой прочный и легкий
синтетический материал, принимающий форму готового продукта при смешивании двух
своих составляющих, основы и отвердителя, в нужных пропорциях. В результате
смешивания компонентов происходит процесс полимеризации, а образовавшийся в итоге
полимер имеет структуру и характеристики полиуретана. Существуют полиуретановые
смеси горячего и холодного типа полимеризации. Процесс горячей полимеризации
происходит в условиях повышенных температур, а холодная полимеризация протекает
при обычной температуре окружающей среды» [54].
«Полиуретановый пластик обладает рядом характеристик, делающих его
востребованным в БП. Среди них:
•
адгезия ко многим видам пластиков;
•
повышенная текучесть (до момента отвердевания) обуславливает удобство
изготовления разнообразных деталей путем заливки смеси в формы;
•
устойчивость к воздействию вредных факторов окружающей среды, в том числе, к
химической агрессии и перепаду температур;
•
после отвердевания литьевой полиуретан обладает высокой степенью
износостойкости и прочности;
•
материал обладает хорошей эластичностью и может использоваться в качестве
заменителя кожаных, резиновых и каучуковых покрытий различных поверхностей;
•
при деформации литьевой полиуретан способен восстанавливать свою начальную
геометрическую форму и размеры» [54];
Также в состав полиуретановой смеси могут входить красители и наполнители
(алюминиевая пудра, микрокальцит).
В дальнейшей работе был применен двухкомпонентный полиуретановый пластик
LasilCast 2 [55]. Общие характеристики пластиков серии LasilCast представлены на
рисунке 60 [55].
Рисунок 60 – Общие характеристики пластиков серии LasilCast (пластик ласил. png) [55]
43
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Как правило, заливка полиуретанового пластика производится в гибкие формы.
«Если нужна серия пластмассовых деталей, то применяется литье в силикон». В этом
случае мастер-модель помещается в опоке в специальную установку и заливается жидким
силиконом под вакуумом, для дегазации» [56]. В качестве оборудования для дегазации
могут применяться вакуумные камеры, вибростолы или их гибриды (рисунок 61).
Рисунок 61 – Различное оборудование для дегазации силикона (дегазаторы. png)
Процесс дегазации крайне важен, так как при замешивании компонентов силикона
пузырьки воздуха остаются внутри смеси и могут негативно отразиться на качестве
поверхности формы, как отмечено красным цветом на образцах, изготовленных из
силиконов Lasil-M и Силагерм 8040 (рисунок 62).
Рисунок 62 – Газовые каверны в силиконовой отливке (пузыри. png)
«После отверждения силикона форма разрезается, мастер-модель извлекается и
может использоваться для заливки следующей формы. В готовую форму производится
заливка жидких компаундов. Форма охлаждается, разнимается, извлекается отливка, и
процесс заливки многократно повторяется. С одной силиконовой формы может быть
получено до 100 пластмассовых деталей без потери качества, а с одной мастер-модели
может быть изготовлено до 10 форм» [56].
«Плюс этой технологии в том, что может быть получена деталь из пластмассы
любого качества, даже гибкая (резиновая) и прозрачная, поскольку компаундов великое
множество и всегда можно найти подходящий по свойствам. Цена их невелика - порядка
1000 р./кг» [56].
Литьё в силиконовые формы может быть осуществлено и без специального
дегазирующего оборудования. Так процесс изготовления простейшей силиконовой формы
представлен на рисунке 63 [57, с. 161, 162].
44
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 63 – Процесс изготовления простейшей силиконовой формы (силикон1. png) [57,
с. 161, 162]
В дальнейшей работе был применен двухкомпонентный силикон на платиновом
катализаторе Lasil-M. Характеристики силиконов Lasil представлены на рисунке 64 [58].
Рисунок 64 – Общие характеристики силиконов серии Lasil (силикон ласил. png) [58]
2.4 Получение пробных заготовок пластин
Первый шаг в изготовлении нового образца покрытия – создание модели матрицы
для силиконовой формы. Модель подготовлена в AutoCAD 2018 (рисунок 65), сохранена в
формате .stl и напечатана на 3D-принтере Ultimaker 2+. В процессе моделирования на
углах матрицы были добавлены дополнительные участки, аналогичные дискам,
повышающим адгезию детали к столу принтера. Размеры матрицы – 195х195х25 мм.
Материал – PLA. Плотность заполнения – 30%. Высота слоя – 0.2 мм. Использовано сопло
с диаметром отверстия 0.8 мм. Общее время печати составило 12 часов.
Рисунок 65 – Модель матрицы для силиконовой формы (матрица. dwg)
45
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Перед заливкой силикона поверхность матрицы подготавливается: очистка и
обезжиривание, а также нанесение аэрозольной смазки Rexant Kontakt 61 (рисунок 66) или
специального воскового разделителя ВС-м. Разделитель предотвращает матрицу от
засорения – попадания излишков силикона в зазоры между слоями пластика.
Далее производится ручное замешивание силикона в соответствии с пропорциями,
рекомендуемыми производителем. Для более точной меры компонентов могут быть
использованы электронные весы или мерные емкости. Аналогичным образом, но обычно в
пропорции 50А:50Б смешиваются и литьевые пластики (рисунок 67).
Необходимо отметить момент, связанный с удалением пузырьков воздуха на
вибростоле, а не в камере. Целесообразно залить силикон в форму, зафиксированную на
вибростоле, а уже потом проводить дегазацию.
Заливка смеси выполняется в два этапа – матрица предварительно покрывается
тонким слоем силикона, перед добавлением остального объема. Таким образом
достигается удаление остатков воздуха из-под наносимых слоев. Процесс загустения
использованного силикона Lasil-M занимает 8 часов. Полная полимеризация наступает
через 16-18 часов, в зависимости от пропорции «основа-катализатор».
Рисунок 66 – Подготовка матрицы и заливка силиконового компаунда (форма1. png)
Рисунок 67 – Отделение необходимого количества основы и отвердителя литьевого
полиуретана (части компонентов. png)
В дополнение к основной, отлита форма из компаунда Силагерм 8040. В обеих
формах, представленных на рисунке 68, были подготовлены заготовки пластин из
пластика LasilCast 2. Перед заливкой формы также обрабатывались разделителем.
Полученные отливки идентичны друг другу, однако имеют дефекты поверхностей.
Главный дефект нижней поверхности – повышенная шероховатость, (рисунок 68) связан с
копированием силиконом слоев печати. Решение этой проблемы требует замены нижней
46
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
части формы на более гладкую или шлифования матрицы, что затруднительно из-за
вязкости PLA.
Дефекты на верхней поверхности (каверны и поры) впоследствии удаляются
механообработкой.
Рисунок 68 – Изготовленные формы и результат первой отливки в них (форма2. png)
Чтобы не подвергать механообработке обе поверхности каждой заготовки для
удаления дефектов литья, было удалена нижняя часть формы. Взамен нее собран
специальный стол (рисунок 69), состоящий из основания, вырезанного из ПВХ, и
стеклянной плиты.
Опытным путем установлено, что выполнить отливку на стекле нельзя, вследствие
повышенной адгезии полиуретана LasilCast 2, препятствующей отделению заготовки без
ее разрушения, даже при нагреве в 70-800С. Таким образом, поверх стекла дополнительно
был зафиксирован гибкий силиконовый лист, толщиной 1 мм.
Рисунок 69 – Доработка силиконовой формы и собранный стол (форма3. png)
Чтобы выполнить вторую контактную поверхность, являющейся базирующей при
обработки заготовки на станке, более качественной, форма устанавливалась в
перевернутом положении на лист. Повторная заливка пластика аналогична предыдущей,
включая нанесение разделителя (рисунок 70).
47
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 70 – Повторная заливка полиуретана и дефекты на верхней поверхности
заготовки (форма4. png)
Каверны и пузыри на поверхности отливки, отмеченные на рисунке 70 красным
цветом, появляются по причине расширения пузырьков воздуха, находящихся в пластике
при его полимеризации, сопровождающейся выделением тепла. Облой на торцах
обусловлен неровными краями силиконовой формы после удаления лезвием ее нижней
части.
Как показано на рисунке 71, применение силиконового листа подтвердило свою
целесообразность при изготовлении двух образцов-заготовок разной толщины: 11 мм и 17
мм. В данном случае нижняя поверхность, образованная листом, выполнена матовой и не
имеет видимых дефектов.
Перед дальнейшей обработкой на станке, требуется выдержать заготовки в формах в
течение 24-30 часов, с целью уменьшения остаточных напряжений.
Рисунок 71 – Подготовленные заготовки (форма5. png)
На данный момент исследования проведены только на образцах из LasilCast 2.
Представляет интерес выполнения печати на пластинах, изготовленных из других
полиуретанов серии LasilCast, например, LasilCast 1515.
2.5 Обработка заготовок пластин на фрезерном станке с ЧПУ
Для выравнивания верхней контактной поверхности покрытия, удаления каверн и
подрезки торцов заготовки был использован кафедральный фрезерный станок с ЧПУ
Aman 3040 (рисунок 72) с установленным ПО Artsoft Mach3. Обработка производилась
концевой фрезой Ø6 мм.
48
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 72 – Общий вид фрезерного станка с ЧПУ Aman 3040 и поворотного устройства к
нему (станок. png)
Aman 3040 4axis 800W – настольный станок с размерами рабочего поля 200x300 мм
[59]. Преимуществами мини-станков с ЧПУ Aman являются: компактный размер и
возможность полноценной 2,5, 3 и 4-осевой обработки (поворотное устройство входит в
комплект).
Основные виды обработки:
•
резка;
•
3D-фрезерование;
•
сверление;
•
фрезерование и гравировка на поворотной оси.
Возможные материалы обработки:
•
дерево;
•
пластик;
•
оргстекло;
•
ДСП, МДФ, фанеру;
•
медь, алюминий латунь.
Технические характеристики станка [59]:
Размер рабочего поля
Количество осей
Мощность шпинделя, Вт/Цанга
Разрешение, мм
Максимальная скорость
(работа/подача, мм/мин)
Скорость вращения шпинделя
(об/мин)
Система управления
Совместимое ПО
Электропитание
Габариты (мм) / Вес (кг)
300 x 400 x 130 мм (глубина регулируется)
4 (XYZ + A-поворотная ось)
800W, водяное охлаждение, ER11
0,03125
2000/3000
до 24000
Mach3 interface, Windows 2000/XP
MACH3, ARTCAM, TYPE 3, UCANCAM,
KCAM и пр.
220В ± 10% 50HZ
520x600x530/60
Для фиксации заготовки на столе, в комплекте со станком предусматривается
оснастка в виде крепёжных болтов и прихватов, устанавливаемых в Т-образные пазы
стола. На рисунке 73 представлена возможная схема закрепления прямоугольной
заготовки.
49
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 73 – Схема закрепления заготовки на столе станка (закрепление. png)
Закрепление отлитой заготовки в станке и начало обработки изображены на рисунке
74. Дальнейшие этапы обработки – подрезка торцов, удаление облоя, приведены на
рисунке 75. Поскольку при обработке заготовок из литьевого полиуретана выделяется
повышенное количество стружки и пыли, необходимо постоянно выполнять очистку
узлов станка и стола промышленным пылесосом.
На рисунке 76 показан итоговый результат – полученная пластина. Ее габаритные
размеры по окончанию обработки составили 100х100х10 мм. В завершение на углах
пластины были добавлены 4 фаски 1х450.
Рисунок 74 – Закрепление в станке заготовки и ее черновая обработка (обработка1. png)
Рисунок 75 – Чистовая обработка и подрезка торцов (обработка2. png)
50
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 76 – Готовая пластина-образец (результат обработки. png)
Далее необходимо было разработать оснастку для фиксации пластины. Решением
оказалось применение силиконовых бобышек Ø16 мм, вместо использованных ранее
колодцев. Бобышка имеет выступ, равный 0.1-0.15 мм. Таким образом, пластина жестко
фиксируется на столе и быстро снимается.
Отверстия под бобышки выполнены на настольном сверлильном станке Dacheng
ZB2506. Бобышки были отлиты в предварительно напечатанных формах. На данном
образце пластины, изображенном на рисунке 77, бобышки установлены только на одной
из поверхностей, а на другой залиты пластиком, для фиксации. Чтобы во время начала
печати, при подводе экструдера к пластине, сопло не задевало места заливки бобышек,
они были зашлифованы гравером (рисунок 78).
Рисунок 77 – Установка бобышек в пластину (бобышки. png)
Рисунок 78 – Выравнивание мест заливки гравером (гравер. png)
Подготовленная пластина очищается от пыли, обезжиривается и устанавливается на
стол принтера. Однако недостаточно просто установить пластину, а необходимо провести
подготовку к печати используемого в работе кафедрального 3D-принтера MZ3d-256,
включая процедуру калибровки стола – «левелинга».
51
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
2.6 Подготовка 3D-принтера MZ3d-256 к печати и калибровка его рабочего стола с
установленной пластиной
2.6.1 Общий вид 3D-принтера и его характеристики
3D-принтер MZ3d-256 (рисунок 79) имеет следующие основные части: печатающая
головка 1, рама 2, рабочий стол 3, блок питания 4, катушка с пластиком 5, контроллер 6,
дисплей 7, USB-разъем 8, тумблер 9, разъем под SD-карту. Технические характеристики
принтера представлены в таблице 2 [60]. Дальнейшая информация по настройке принтера
заимствована из Методических указаний (МУ) кафедры КИ ТМС ЯГТУ [61].
Рисунок 79 – Общий вид 3D-принтера MZ3d-256 (общий вид мз. png)
Таблица 2. Технические характеристики 3D-принтера [60]
Назначение
Габариты (мм)
Диаметр сопла (мм)
Толщина слоя (мм)
Рабочее поле (мм)
Шаг позиционирования(мм)
Интерфейсы
Материалы
Диаметр нити (мм)
Персональный
274х209х355
0,25/0,3/0,35/0,4/0,45
0,04
160х160х150 (x|y|z)
x, y=0.01мм, z=0.00625мм
USB, CardReader
ABS-пластик, PLA-пластик
1,75
2.6.2 Подключение принтера к электрической сети и ПК
Первым шагом в работе с принтером является его подключение к электросети и ПК
(рисунок 80). После этого кнопкой на задней панели рамы (рисунок 80), включаем моторы
и нагрев экструдера. Одновременно включится дисплей (рисунок 81). На нем отобразится
автоматический подогрев стола до 700С. Отключаем его (рисунок 82, позиции 1-4), нажав
на находящийся справа от дисплея тумблер (рисунок 81) и попадая в меню «Контроль».
Далее выбираем раздел «Параметры» > «Температура» > «t Стол». Вращая тумблер
52
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
влево, понижаем температуру стола до комнатной или 00С. Если подождать несколько
секунд, дисплей вновь покажет основное меню «Контроль» [61].
Рисунок 80 – Подключение принтера (подключение. png) [61]
Рисунок 81 – Включенный дисплей и отображение температуры подогрева стола
(дисплей. png) [61]
Рисунок 82 – Отключение подогрева стола (отключение подогрева. png) [61]
2.6.3 Загрузка пластика в экструдер принтера
Следующий шаг – это установка катушки с пластиком и заправка нити в экструдер
печатающей головки. Для начала необходимо нагреть сопло экструдера, чтобы удалить
расплавившийся предыдущий пластик, а затем вставить новую нить [61].
Снова заходим в «Контроль» (рисунок 83), выбираем «Подготовка» > «Преднагрев
PLA» > «Преднагрев PLA 1». Теперь в верхней части дисплея отобразится температура
экструдера и стола, для которого нагрев необходимо вновь отключить, как было показано
ранее, так как пробные детали будут сперва напечатаны PLA-пластиком без подогрева
стола [61].
Если в экструдере находится пластик ABS, то выбираем вместо «Преднагрев PLA» >
«Преднагрев ABS», далее «Преднагрев ABS 1» (рисунок 84). Это необходимо, поскольку
температуры нагрева PLA недостаточно для размягчения и удаления ABS [61].
53
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 83 – Запуск преднагрева сопла экструдера для PLA (нагрев пла. png) [61]
Рисунок 84 – Запуск преднагрева сопла экструдера для ABS (нагрев абс. png) [61]
После того, как сопло экструдера нагрелось до температуры 1800С для PLA и 2400С
для ABS, вручную отжимаем губки прижима (рисунок 85, позиция 1) и вынимаем остатки
предыдущей нити. Конец новой нужно подравнять кусачками, особенно, если он был
ранее оплавлен (рисунок 85, позиция 2). Отжав губки, проталкиваем новую нить в
экструдер, пока из сопла не удалятся остатки другого пластика и не появится новый (рис.
85, позиция 3). Аккуратно убираем пинцетом застывшие остатки вытекшей нити [61].
Чтобы пластик не продолжал вытекать до начала печати, временно отключим нагрев
сопла, зайдя в меню «Контроль» и выбрав «Подготовка» > «Отключить нагрев»
(рисунок 83, позиции 1-2). На этом процесс загрузки пластика в экструдер закончен [61].
Рисунок 85 – Этапы загрузки пластика в экструдер (загрузка нити. png) [61]
54
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
2.6.4 Калибровка рабочего стола принтера
Справедливо сказать, что печать без калибровки рабочего стола невозможна. С этим
процессом пользователи сталкиваются постоянно, начиная с момента покупки нового
принтера. И при возникновении проблем с адгезией слоя пластика, первое, на что следует
обратить внимание – это точность калибровки (рисунок 86) [14]. В целом проводить
выравнивание, каждому пользователю предстоит на протяжении всего срока эксплуатации
принтера, снова и снова. Даже опытные и профессиональные операторы уделяют этому
достаточно много времени. Поэтому важно относиться к процедуре выравнивания, как к
регулярному, обязательному обслуживанию.
Большинство современных 3D-принтеров имеет механизм для ручного
выравнивания стола. Обычно это подпружиненные винты, закрепленные в трех или
четырех точках. Например, стол в принтере Ultimaker 2+ регулируется тремя винтами, а в
Wanhao Duplicator i3 - четырьмя. И один и другой способы имеют право на существование
и обеспечивают требуемую точность калибровки.
Рисунок 86 – Схема влияния калибровки стола на адгезию слоя (калибровка1. png) [14]
Перед выравниванием сначала выполним «зануление» стола. Проверим, подключен
ли принтер к сети, и нажмем «Контроль» > «Подготовка» > «Парковка» (рисунок 87).
Стол и экструдер должны переместиться в «нулевую точку» (рисунки 88, 89). После этого
отключим моторы, вновь зайдя в «Контроль» > «Подготовка» > «Отключить моторы»
[61].
Рисунок 87 – Выполнение команды «Парковка» (калибровка2. png) [61]
Рисунок 88 – Стол и экструдер перемещены в нулевую точку (калибровка3. png) [61]
55
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 89 – Схема «зануления» стола принтера (калибровка4. png) [61]
Вручную, с небольшим усилием, совместим печатающую головку с пластиной на
столе так, чтобы сопло находилось у ее переднего правого угла (рисунок 90). Далее под
сопло подкладываем бумажный лист и вращаем винт под углом стола (рисунок 91,
позиция 1). Прижимаем лист таким образом, чтобы его можно было убрать из-под сопла,
но с небольшим усилием. Выполним данную операцию и на остальных трех углах
пластины (рисунок 89), также вручную перемещая стол и печатающую головку [61].
Важно учесть, что при выверке зазора на одном углу, на других он может
произвольно изменяться. Поэтому калибровку стола, возможно, потребуется выполнить
несколько раз [61].
В завершение калибровки повторно «занулим» стол, как было показано ранее
(рисунки 87-89). На этом процесс подготовки принтера к печати завершается [61].
Рисунок 90 – Сопло вручную подведено к пластине (калибровка5. png) [61]
Рисунок 91 – Калибровка зазора между соплом и пластиной (калибровка6. png) [61]
56
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
2.7 Выполнение тестирующей печати на изготовленной пластине-образце
Для управления 3D-принтером MZ3d-256 с ПК необходимо ПО – это, например,
популярный слайсер Cura. Производитель принтера выпустил собственную версию
данного слайсера с доработанным интерфейсом и уже заданными настройками под
принтеры линейки MZ3d и iROBO, доступную на официальном сайте техподдержки [62].
В качестве объектов печати выбраны разные модели деталей, включая макет
импеллера, загруженный с портала Thingeverse.com [63]. Поскольку пробная печать будет
в первую очередь, осуществляться PLA и без подогрева стола, настройки, выделенные
красным цветом, будут иметь значения (рисунок 92). Для оценки адгезии пластины к PLA,
детали печатаются без каймы или подложки, с обдувом слоев (рисунок 92). Габаритные
размеры будущей детали изображены на рисунке 93.
Более подробно работа со слайсером Cura описана в Главе 4.
Рисунок 92 – Параметры печати модели PLA-пластиком в слайсере Cura 15.04.6 RU
(слайсер1. png)
Рисунок 93 – Габаритные размеры модели импеллера (слайсер2. png)
После настройки параметров печати запускаем принтер. Поскольку в приведенном
тестировании пластины нагревается только экструдер, печать детали начинается уже через
1 мин., в сравнении с 11 мин. при дополнительном подогреве стола. Общее время печати
57
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
составило 1 ч. 13 мин. Процесс печати PLA импеллера на тестовой пластине-образце из
полиуретана LasilCast 2 представлен на рисунке 94.
Рисунок 94 – Печать импеллера из PLA на подготовленной пластине из LasilCast 2 (печать
на пластине4. png)
По окончанию печати пластина легко снимается со стола принтера, а деталь без
затруднений вручную удаляется без повреждений (рисунок 95). Также легко удаляются и
тонкие слоя пластика, напечатанные вокруг детали, обычно выполняющих роль
индикатора равномерности нанесения и адгезии первого слоя.
Как становится видно из рисунка 96, нижняя поверхность детали не имеет какихлибо дефектов. Это означает, что калибровка стола с была проведена грамотно. На самой
пластине также не остается следов печати или остатков пластика, как и на детали –
полиуретановой пленки. Для сравнения выполнена печать из ABS (рисунок 96, справа).
Результаты печати других деталей с различной геометрией и размерами из
пробников PLA и ABS без подогрева стола представлены на рисунках 97-102. В работе
был также использован 3D-принтер MZ3d-256.
Рисунок 95 – Напечатанная деталь на установленной и снятой пластине (печать на
пластине5. png)
Рисунок 96 – Отделение детали от пластины и копия из ABS (печать на пластине6. png)
58
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 97 – Крепление web-камеры, напечатанное из PLA на пластине (печать на
пластине7. png)
Рисунок 98 – Фиксатор, напечатанный из PLA с поддержками и подложкой на пластине
(печать на пластине8. png)
Рисунок 99 – Деталь, напечатанная из PLA на пластине (печать на пластине9. png)
Рисунок 100 – Деталь, напечатанная из PLA с поддержками и подложкой на пластине
(печать на пластине10. png)
Рисунок 101 – Бюст, напечатанный из ABS на пластине (печать на пластине11. png)
59
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 102 – Деталь, напечатанная из ABS на пластине (печать на пластине12. png)
В завершение тестирования, но пластине были также напечатаны из PLA полуформы
для отливки силиконовой детали - карабина (рисунки 103, 104).
Рисунок 103 – Полуформы, напечатанные из PLA на пластине (печать на пластине13. png)
Рисунок 104 – Готовая силиконовая отливка (печать на пластине14. png)
2.8 Нанесение дополнительной адгезионной сетки на поверхность пластины
Поскольку печать деталей из PLA и ABS на пластине показала удовлетворительные
результаты, на ее поверхность была нанесена сетка, с целью исследовать возможность
дополнительного повышения адгезии. Основой для этого послужил опыт пользователя по
изготовлению гравированной пластины, описанный в п.п. 1.3.1 Обзора источников [11].
Нанесение сетки выполнялось лазерным гравером с ЧПУ ZONESUN на платформе
Arduino (рисунок 105). В качестве ПО для гравера использована CCNC V2.40 Laseraxe
[64]. Интерфейс ПО с запущенной Управляющей программой (УП) представлен на
рисунке 106. Размер ячеек равен 2х2 мм., сетки – 60х60 мм. Размеры подбирались
опытным путем таким образом, чтобы не допустить оплавления ячеек лазером. Перед
60
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
гравировкой поверхность пластины тонировалась смываемой черной краской или пленкой
для предотвращения рассеивания лазера. Процесс гравировки представлен на рисунке 107.
Рисунок 105 – Лазерный гравер с ЧПУ ZONESUN на Arduino (гравер2. png)
После нанесения сетки пластина очищалась от тонирования и устанавливалась
обратно в 3D-принтер. Как показала тестирующая печать из PLA без подогрева стола
(рисунки 108, 109), в канавках сетки и под самой деталью произошло запирание воздуха,
что привело к понижению адгезии и отлипанию на углах, отмеченного красным цветом на
рисунке 109. Также на нижней поверхности детали остался пластиковый отпечаток,
который необходимо удалить. Соответственно, размер ячеек и канавок сетки должен быть
уменьшен, что возможно с применением более прецизионного лазерного оборудования,
чтобы получить результаты, приближенные к [11].
Рисунок 106 – Интерфейс ПО CCNC V2.40 Laseraxe с запущенной УП (лазер1. png)
61
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 107 – Процесс гравировки сетки на тонированной пластине-образце (лазер2. png)
Рисунок 108 – Печать детали из PLA на сетке (сетка1. png)
Рисунок 109 – Отлипание и коробление детали в процессе и после печати (сетка2. png)
Выводы по Главе 2
Таким образом, на данный момент применение литьевого двухкомпонентного
полиуретана LasilCast 2 в качестве материала адгезионной пластины устройства для минии микро-3D-принтеров, силикона для его крепежной оснастки, решает большинство из
поставленных ранее задач. Среди них: печать малогабаритных деталей основными видами
филаментов (PLA, ABS) без подогрева стола и наличие двух контактных поверхностей.
Силиконовые колодцы, бобышки обеспечивали быструю установку и снятие пластины. В
дальнейшей работе необходимо произвести тестирование образцов из других
полиуретанов серии LasilCast – например, LasilCast 1515, чтобы определить адгезионные
свойства данных материалов по отношению к филаментам.
Предполагается провести оптимизацию процесса, как отливки плоскопараллельной
заготовки-плиты, так и ее обработки с составлением симуляции в САПР Autodesk ArtCAM
2018 и получением УП для фрезерного станка с ЧПУ. Также предложенный вариант с
отливкой плиты потребует изготовления новой силиконовой оснастки, чтобы избежать
появления дефектов литья, их устранения механообработкой и дополнительных
временных затрат.
62
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Глава 3 Изготовление и сборка функционального устройства
•
•
•
•
•
•
В данной главе работа выполнялась в соответствии с этапами:
разработать новое устройство с адгезионной пластиной из LasilCast 2 на основе
результатов исследований, представленных в Главе 2;
выделить отдельные детали устройства, требующие реализации на оборудовании с
ЧПУ. Провести их цифровую подготовку в Autodesk ArtCAM 2018 и в слайсере Cura;
изготовить новую силиконовую оснастку для отливки заготовок пластин;
апробировать компаунд LasilCast 1515 в качестве материала адгезионной пластины;
используя полученные результаты, подготовить тезисы и материалы выступления на
научной конференции;
вывод.
3.1 Разработка новых устройств на основе ранее полученных результатов
Ранее, в Главе 2 был рассмотрен прототип устройства в виде абразивной пластины,
ее фиксирующей оснастки и связки – раствора филамента, распыляемого на поверхность
пластины. Последующая апробация выявила недостатки: а) задействование специального
оборудования для производства каждой единицы пластины и оснастки, б) применение
распылителя и компрессора для нанесения одноразовой связки, в) выделение испарений
раствора, г) быстрое засорение поверхности пластины [65, с. 778].
Для замены абразива другим материалом, проведен поиск композиций, применяемых
в БП, и адгезионных к основным филаментам, в частности, к ABS- и PLA-пластику.
Подобным материалом выбраны литьевые двухкомпонентные полиуретановые пластики
серии LasilCast [65, с. 778].
Из полиуретана LasilCast 2 был изготовлен опытный образец пластины. Его
фиксация выполнялась силиконовыми бобышками, не предотвратившими смещение при
вибрациях стола на скорости печати более 90 мм/c. Печать малогабаритных деталей из
ABS, PLA на образце без нагрева стола показала положительные результаты. Принято
решение о применении LasilCast 2 в дальнейшей работе [65, с. 778].
При выполнении дальнейших этапов разработки нами предлагались новые критерии
к устройству:
•
быстрое изготовление деталей устройства, включая адгезионную пластину;
•
универсальность для популярных моделей принтеров;
•
оперативные установка и снятие;
•
жесткая фиксация на столе при скорости печати свыше 90 мм/c;
•
адгезия к ABS, PLA без нагрева стола, добавления подложки или каймы;
•
наличие запасной контактной поверхности;
•
не требует нанесения растворов и клеев для фиксации детали [65, с. 778].
В соответствии с данными критериями были разработаны концепции простых
устройств, представленные на рисунках 110, 111. Каждое из них имеет две поверхности
для печати. Так устройство 1 для дельта-принтеров (рисунок 110) состоит из пластиныдиска с силиконовыми прижимами с шиповым соединением [66, с. 233].
Устройство 2 (рисунок 111) аналогично имеет диск, но с упорами под пальцы, и
адаптированный под установку, как в дельта-, так в стандартные микро-, мини-принтеры.
Фиксация диска на силиконовом основании выполняется двойными магнитами. Из
полости основания воздух удаляется ручным нажатием на пластину после установки на
стол принтера. Для снятия устройства предусмотрены клапан с каналом, подающие воздух
обратно в полость (рисунок 111). Чтобы при калибровке рабочего стола нагретое сопло
63
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
экструдера не повредило поверхность пластины, она снабжена съемными контактными
дисками из стали для «зануления» [65, с. 779].
Технологический процесс изготовления пластин включает отливку из LasilCast 2 в
силиконовой форме заготовки мастер-модели, ее фрезерную обработку на станке с ЧПУ
[65, с. 779]. Гибкие детали – прижимы, основание и клапан, отливаются из силикона в
напечатанных формах. Модели форм представлены на рисунках 112-114, и сохранены в
формате .stl [66, с. 234].
Рисунок 110 – Схема устройства 1 (схема стола1. dwg) [66, с. 233]
Рисунок 111 – Схема устройства 2 (схема стола2. dwg) [65, с. 779]
Рисунок 112 – Модель формы на печать для отливки фиксаторов устройства 1 (для
отливки1. stl) [66, с. 234]
64
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 113 – Модели полуформ на печать для отливки клапана устройства 2 (для
отливки2. stl)
Рисунок 114 – Модели полуформ на печать для отливки основания устройства 2 (для
отливки3. stl)
Как упомянуто ранее, реализация устройств состоит из отдельных этапов. Основным
из них является изготовление пластин – обработка на фрезерном станке с ЧПУ
полиуретановых заготовок. Для этого необходимо получить УП в Autodesk ArtCAM 2018
и загрузить их в ПО станка – Artsoft Mach3Mill.
3.2 Получение УП обработки заготовок пластин устройств и методика работы в
системе Autodesk ArtCAM 2018
3.2.1 Общая информация о системе
ArtCAM является системой для пространственного моделирования механообработки,
позволяющей автоматически генерировать пространственные модели из плоского рисунка
и получать по ним изделия на фрезерных станках с ЧПУ.
Некоторые дополнительные модули, входящие уже в состав ArtCAM Pro, позволяют:
65
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
•
•
•
•
•
•
•
импортировать математические модели;
импортировать и использовать модели, полученные на сканирующих устройствах;
создавать 3D рельефы по плоской геометрии;
наносить объемную текстуру на детали;
создавать сборки, состоящие из различных моделей;
создавать УП для различных станков;
контролировать массу изделия и время работы до непосредственного изготовления.
C 7 июля 2018 года прекращены продажи продукта компанией Autodesk, а с 1 ноября
2018 года техподдержка ПО более не осуществляется, поэтому теперь скачать ArtCAM
можно только неофициально.
3.2.2 Экспорт файла пластины из AutoCAD в формат .stl и загрузка в ArtCAM
Для выгрузки моделей пластин из AutoCAD в ArtCAM необходимо сохранить их в
формате .stl и проверить в Microsoft 3D Builder или в ModuleWorks STL View. Подробно
эти этапы описаны в Главе 4. Модели, экспортированные в .stl, представлены на рисунке
115.
Рисунок 115 – Модели, экспортированные в формат .stl (пластины на обработку. stl,
пластины на обработку2. stl )
По завершению экспорта запускаем ArtCAM. Выберем пункт «Новая модель», и в
открывшемся окне установим габариты листа в 190х190 мм (рисунок 116), так как это –
размеры имеющейся полиуретановой заготовки. Нажимаем «Ок». Открывается рабочая
область. Интерфейс области представлен на рисунке 117.
Чтобы загрузить .stl-файлы, в меню инструментов выберем «Рельеф» > «Импорт» >
«Импорт 3D-модели» (рисунок 118). В открывшемся окне находим нужный файл.
Используя меню вставки, зададим положение модели на листе и нажимаем кнопку
«Вставить» (рисунок 119).
Рисунок 116 – Стартовое окно ArtCAM и задание параметров листа (окно1. png)
66
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 117 – Интерфейс рабочей области ArtCAM (интерфейс. png)
Рисунок 118 – Импорт .stl-файла через вкладку «Рельеф» (импорт. png)
Рисунок 119 – Вставка модели из .stl-файла (меню вставки. png)
3.2.3 Назначение параметров обработки пластин и получение УП
Следующий шаг – выбор типа обработки. Для создания симуляции откроем меню
«Траектория», далее «Новую 3D-траекторию» и «Обработку рельефа» (рисунок 120). В
открывшемся окне выбираем параметры траектории. Первым пункт – это область
обработки, чтобы обработать рельеф модели целиком (рисунок 121).
67
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 120 – Работа с меню «Траектория» (траектория1. png)
Рисунок 121 – Выбор области обработки (область обработки. png)
Затем, в следующем пункте задаем свойства чистовой обработки, так как в она
расположена первой. Сначала выбираем инструмент обработки (рисунок 122). Для
добавления инструмента используем «Добавить инструмент» или «Изменить
инструмент» (рисунок 123). А в открывшемся окне «Редактировать инструмент»
введем параметры фрезы (рисунок 124).
Рисунок 122 – Выбор инструмента (инструмент1. png)
68
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 123 – Клавиши добавления и редактирования инструмента (инструмент2. png)
Рисунок 124 – Окно редактирования параметров инструмента (инструмент3. png)
После выбора чистового инструмента установим траекторию его движения. Так
опытным путем получено, что оптимальной является Смещенная спираль 3D. Выберем ее.
Дополнительно установим, откуда начнется обработка – снаружи или изнутри (рисунок
125). После этого выбираем направление резания и точность.
Рисунок 125 – Выбор параметров траектории чистовой обработки (траектория2. png)
69
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Назначаем черновую обработку. Выбираем инструмент (рисунок 126), траекторию
обработки – «Смещение» или «Растр», назначаем начальную точку и направление
резания (рисунок 126, справа). Затем задаем точность и припуск на чистовую обработку.
Рисунок 126 – Выбор фрезы и параметров черновой обработки (инструмент4. png)
При назначении дальнейших параметров укажем габаритные размеры заготовки. Для
этого внизу меню находим пункт «Толщина материала» (рисунок 127).
Рисунок 127 – Назначение толщины материала (назначение толщины. png)
Нажимаем кнопку «Определить» и назначаем размеры заготовки: толщину в 11 мм,
так как данная заготовка была в наличии, и положение самой детали относительно верха и
низа заготовки (рисунок 128). Поскольку стороны пластины симметричны, используем
одну и ту же УП для обработки обеих сторон. Таким образом, на одну половину детали
остается 5.5 мм. Для соблюдения ее толщины также зададим от верхней границы отступ в
1 мм. По окончанию нажимаем «Ок».
Рисунок 128 – Задание габаритных размеров заготовки (задание заготовки. png)
70
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Теперь назначаем «Слои по Z», то есть, величину опускания фрезы при обработке
одного слоя. В ArtCAM для этого есть функция расчета шага по Z на основе параметров
фрезы и толщине материала. Используем эту функцию, так как пластина имеет простую
геометрию. Но при более сложной обработке можно установить собственные настройки
(рисунок 129). После завершения настраивания нажимаем «Применить».
Рисунок 129 – Окно настройки шага по оси Z (настройка шага. png)
В дополнение можно назначить плавный подвод инструмента или его наклонное
врезание при черновой обработке для упрощения фрезерования (рисунок 130). В данном
случае это нецелесообразно, поскольку шаг по Z небольшой.
Рисунок 130 – Опция настройки подвода инструмента (опция подвода. png)
Следующий пункт меню - «Плоскость безопасности» (рисунок 131). Здесь назначим
высоту плоскости, в которой будет находиться фреза по окончанию процесса обработки.
Теперь, после всех операций указываем имя траектории (Обработка пластины), нажимаем
«Вычислить сейчас» (рисунок 132). Внизу экрана появляется бегущая строка, которая
показывает, что программой запущен расчет. Статус его выполнения виден в отдельном
окне (рисунок 132, справа).
Рисунок 131 – Назначение плоскости безопасности (плоскость безопасности. png)
71
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 132 – Запуск расчета УП и статус его выполнения (вычисление1. png)
По окончании расчета заготовка принимает следующий вид (рисунок 133). В дереве
проекта появятся рассчитанные траектории.
Рисунок 133 – Траектории после окончания расчета и УП в дереве проекта (окончание
расчета. png)
Проверим правильность рассчитанной УП и запустим симуляцию. Для этого в дереве
проекта нажимаем на полученную траекторию. Откроется меню возможных операций под
этим элементом дерева. Нажимаем иконку «Симуляция всех траекторий» (рисунок 134).
Рисунок 134 – Функция «Симуляция всех траекторий» (траектория3. png)
Открывается меню параметров симуляции. В нем задаем необходимые нам значения,
если они не указаны изначально или различны с полученными автоматически. Завершаем
работу с параметрами нажатием кнопки «Симуляция» (рисунок 135). Результатом
симуляции становится обработанная пластина (рисунок 136, слева). Аналогичным
образом выполним симуляцию и для второй пластины, включив отображение траекторий
движения инструмента (рисунок 136, справа).
Рисунок 135 – Ввод параметров симуляции (параметры симуляции. png)
72
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 136 – Результаты симуляций обработок пластин (результаты симуляции. png)
3.2.4 Сохранение полученных УП
Далее требуется сохранить полученные УП. Возвращаемся в меню проекта, выберем
строку «Сохранить траектории» (рисунок 137). После нажатия появится окно, в котором
отражаются чистовая и черновая УП для пластины (рисунок 138). Так как используемый в
работе станок не имеет револьверной головки или автоматической смены инструмента
через Управляющую команду, то стрелками перенесем обе УП в левое окно (рисунок 139).
Затем при помощи стрелки влево переносим одну из УП в правое окно, выбираем
путь, куда сохранить готовую УП, назначаем имя, формат файла. В завершение нажимаем
«Сохранить» (рисунок 140). Аналогично сохраним и вторую УП.
Рисунок 137 – Функция «Сохранить траектории» (траектория4 .png)
Рисунок 138 – Меню сохранения черновой и чистовой УП (сохранениеУП1. png)
73
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 139 – Перенос первой УП (сохранениеУП2. png)
Рисунок 140 – Сохранение первой УП (сохранениеУП3. png)
УП для черновой и чистовой обработки заготовки были получены и проверены.
Далее необходимо выполнить завершающий шаг в цифровой подготовке – загрузку УП в
ПО для станка с ЧПУ – Artsoft Mach3Mill.
3.3 Загрузка УП в систему Artsoft Mach3Mill
Запускаем программу Mach3Mill, интерфейс которой состоит из нескольких окон
управления (рисунок 141).
Рисунок 141 – Интерфейс программы Mach3Mill (интерфейс мач3. png)
74
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Для создания заготовки необходима работа только с окном с G-кодом. Чтобы
загрузить УП, сохраним ее в Блокноте в расширении .txt, после чего нажимаем на кнопку
«Load G-Code». Выбираем в открывшейся директории сохраненную УП из ArtCAM. Если
программа составлена без ошибок, окно изменит свой вид, как на рисунке 142. По
завершению работы с системой, УП стирается при помощи кнопки «Close G-Code».
.
Рисунок 142 – Интерфейс после загрузки УП (загрузкаУП. png)
3.4 Настройка фрезерного станка с ЧПУ Aman 3040
Проверим строку «Status» на предмет выявления программой ошибок в составлении
G-кода. Если таковых не обнаружено, то использовав кнопку «Reset» приводим станок в
рабочее состояние (индикатор вокруг кнопки должен быть зеленого цвета). Клавишей
«Tab» открываем окно ручного управления шпинделем и подводим инструмент в нулевое
положение, из которого пойдет обработка при помощи кнопок Z±, Y±, X± (рисунок 143).
Перед этим установим скорость движения на 25% для замедленного движения шпинделя
для более точного позиционирования. Движение с полной скоростью осуществляется
теми же клавишами Z±, Y±, X±, но уже с зажатой клавишей «Shift». На столе станка
разместим лист бумаги, а затем «зануляем» шпиндель с установленной фрезой до легкого
касания листа (рисунок 144). Можно сказать, что данный процесс несколько схож с
калибровкой стола 3D-принтера, описанной в п.п 2.6.4 Главы 2.
Рисунок 143 – Окно ручного управления с выделенными клавишами перемещения и
строка назначения замедления (окна управления. png)
75
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 144 – «Зануление» шпинделя с фрезой по листу бумаги (зануление станка1. png)
Закрываем окно ручного управления повторным нажатием клавиши «Tab» и
устанавливаем ноль нажатием кнопок: «Zero X» для оси Х; «Zero Y» для оси У и «Zero Z»
для оси Z в окне координат шпинделя (рисунок 145).
Рисунок 145 – Окно координат после выполнения зануления (зануление станка2. png)
3.5 Запуск обработки по УП
В завершение работы с системой Mach3Mill перейдем к клавишам управления. В
левой части экрана управления G-кодом расположены три функции, отвечающие за
выполнение программы (рисунок 146). Это «Cycle Start», для начала программы
обработки, «Feed Hold» для приостановки ее выполнения (с возможностью продолжения с
места остановки) и «Stop», останавливающая программу без возможности продолжения.
Теперь запускаем УП нажатием «Cycle Start», начиная обработку полиуретановой
заготовки, заранее закрепленной в станке.
Рисунок 146 – Клавиши управления (клавиши. png)
3.6 Выполнение обработки пластин из LasilCast 2 по полученным УП
Процесс изготовления пластин для устройств 1 и 2 по полученным УП представлен
на рисунках 147, 148 [66, с. 234]. В нижней части каждого рисунка изображена
визуализация обработки в окне интерфейса Mach3Mill (см. рисунок 141).
Снятая со станка (рисунок 149, справа), пластина к устройству 1 устанавливалась в
принтер MZ3d-256. С отключенным подогревом стола, на ней выполнялась тестирующая
печать PLA формы для отливки силиконовых прижимов (рисунки 150, 151) [66, с. 234].
76
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Далее, уже на собранном устройстве 1 (рисунок 152), также без подогрева стола была
напечатана деталь из ABS и PLA, без отлипания и стягивания углов [66, с. 235].
Теперь, после работы с LasilCast 2, как было указано ранее в плане работы к Главе 3,
необходимо выполнить опытную обработку пластины из полиуретана LasilCast 1515.
Рисунок 147 – Обработка дисковой пластины устройства 1 из LasilCast 2 (обработка3. png)
[66, с. 234]
Рисунок 148 – Обработка пластины устройства 2 из LasilCast 2 (обработка4. png)
77
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 149 – Готовые пластины устройств 1 и 2 (результат обработки2. png)
Рисунок 150 – Апробация пластины печатью формы из PLA (печать на пластине15. png)
[66, с. 234]
Рисунок 151 – Напечатанная форма и отлитый силиконовый прижим (прижим. png)
Рисунок 152 – Собранное устройство 1 на столе 3D-принтера MZ3d-256 и печать
пластинчатых деталей из ABS и PLA (устр1. png) [66, с. 235]
78
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
3.7 Выполнение опытного изготовления пластин из LasilCast 1515
Выполнена обработка дисковой пластины из полиуретана LasilCast 1515 black по УП,
отличной от загруженной ранее (рисунок 153). Общие характеристики 1515 представлены
на рисунке 60 в п.2.3 Главы 2 [55]. В процессе обработки установлены быстрые нагрев и
деформация заготовки, так как данный материал является более мягким и вязким по
сравнению с LasilCast 2, что в дальнейшем привело к появлению брака (рисунок 154) [66,
с. 233]. Удаление стружки также затруднено из-за налипания.
Таким образом, в процессе заливки, заготовки из 1515 необходимо армировать
листовым материалом: текстолитом или акрилом, ПВХ. Важно обратить внимание и на
воздушные каверны внутри компаунда, вскрываемые при обработке, отмеченные красным
цветом на рисунке 154. Напротив, внутри пластин из LasilCast 2 каверны не обнаружены.
Применение армирования, а также уменьшение времени на обработку, потребовало
изготовления новой силиконовой формы для получения плоскопараллельных заготовок
(рисунок 155). Форма состоит из двух силиконовых плит, закрепленных на основаниях из
оргстекла. На одной из плит выполнен гибкий бортик.
Перед заливкой полиуретана половины формы очищаются от пыли, покрываются
разделителем и сжимаются струбциной. В полость формы устанавливается армирующий
лист. В данном случае использован текстолит, толщиной 4 мм.
Рисунок 153 – Обработка дисковой пластины устройства 1 из LasilCast 1515 black
(обработка5. png)
Рисунок 154 – Деформированная пластина (результат обработки3. png) [66, с. 233]
79
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 155 – Силиконовая форма и отлитая заготовка из LasilCast 1515 (форма6. png)
Цель использования новой силиконовой формы заключалась в том, чтобы выполнять
обработку заготовки только по контуру, уменьшая затраты времени и материала. Но из-за
особенностей ArtCAM, УП составляется с удалением материала с поверхности заготовки
(рисунок 156). Это важно учитывать при получении УП. В целом форма применяется
также для сокращения расхода LasilCast с замещением части полиуретана армированием,
например, ПВХ.
Обработанная пластина с размерами 110х110х8 мм (рисунок 157), как и предыдущие
образцы устанавливалась в 3D-принтер MZ3d-256. На ней, из PLA и без подогрева стола,
было успешно напечатано измененное крепление web-камеры (рисунки 158, 159). Однако
установлено, что при печати ABS, детали быстро отлипают без подогрева. Поэтому в
дальнейшей работе пластина из LasilCast 1515 не используется, так как не соответствует
критериям, предложенным ранее.
Рисунок 156 – Обработка отлитой заготовки (обработка6. png)
Рисунок 157 – Готовая композитная пластина (результат обработки4. png)
80
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 158 – Печать измененного крепления web-камеры (печать на пластине16. png)
Рисунок 159 – Крепление, снятое с пластины (печать на пластине17. png)
Выводы по Главе 3
В рамках работы в Главе 3 были предложены новые критерии к средству повышения
адгезии, а также разработаны простые устройства, отвечающие критериям. Поскольку
устройства имеют адгезионные пластины из полиуретана LasilCast 2, изготавливаемые на
ЧПУ-оборудовании, было необходимо провести их цифровую подготовку.
Цифровая подготовка включила в себя получение УП и симуляций обработок
пластин в системе Autodesk ArtCAM 2018, а также загрузку УП и работу с ПО станка –
Artsoft Mach3Mill. Отдельно напечатаны формы для отливки силиконовых прижимов,
основания пластин. Одно из устройств было полностью собрано и успешно апробировано
печатью PLA и малогабаритных деталей из ABS без подогрева стола.
Дополнительно исследовано применение полиуретана LasilCast 1515 в качестве
материала пластин. Так в процессе ЧПУ-обработки отмечена повышенная деформация
заготовки в сравнении с LasilCast 2. Последующая печать PLA без подогрева стола, на
армированной пластине из 1515, показала удовлетворительные результаты, в отличие от
быстрого отлипания при печати ABS, что определило окончательный выбор полиуретана
из данной серии в пользу LasilCast 2.
Таким образом, задача создания нового средства повышения адгезии рабочих столов
FDM/FFF мини- и микро-принтеров, ранее поставленная в Главе 2, решена.
81
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Глава 4 Обратный инжиниринг. Восстановление и предпечатная подготовка
сломанной детали
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
В данной главе работа выполнялась в соответствии с этапами:
дать определение обратного инжиниринга;
обозначить технологически наиболее простой и доступный массовому пользователю
метод обратного инжиниринга;
произвести краткий обзор примеров воссоздания утраченных, сломанных деталей с
применением обозначенного метода;
выбрать сломанную деталь для выполнения обратного инжиниринга;
провести анализ недостатков предшествующих версий модели детали;
разработать новую модель в САПР и выполнить тестирующую печать;
при необходимости повышения качества печати изменить геометрию модели;
исследовать процесс конвертации модели в формат .stl в различных САПР;
произвести предпечатную подготовку с применением средств и модулей;
настроить параметры печати в слайсере Cura;
напечатать подготовленную деталь на разных FDM/FFF 3D-принтерах и сравнить
результаты;
вывод.
4.1 Понятие обратного инжиниринга и примеры восстановленных деталей
«В настоящее время применение обратного инжиниринга (ОИ), как перспективного
метода, становится одной из альтернатив стабильного развития предприятий. Применение
ОИ широко, но наиболее часто оно используется в машиностроении, автомобилестроении
и электронике» [67, с. 67].
«Обратный или реверс-инжиниринг в машиностроении — это комплекс технологий,
аппаратных и программных средств, необходимых для создания свойств объекта с
внесением в него ряда доработок, и когда проектировщик данного объекта не предоставил
полную информацию о структуре и технологии создания. Для данной технологии
аппаратными средствами являются 3D-сканеры, 3D-принтеры, компьютеры для сбора и
обработки полученной информации и создания модели объекта» [67, с. 67].
«В машиностроении применение ОИ необходимо для:
•
воссоздания утраченных или изношенных деталей, при исключении возможности
закупки запчастей, при необходимости срочного ремонта;
•
в случаях применения новых механизмов и деталей;
•
воссоздания изделия, снятого с производства» [67, с. 67].
«Основными преимуществами ОИ являются:
•
сокращение временных и иных затрат на этапе создания продукции;
•
высокая производительность процесса» [67, с. 67].
«Часто ОИ используют для создания дубликата агрегата, механизма отечественного
или иностранного производства» [67, с. 67].
ОИ – быстро развивающаяся технология. Имея широкое практическое применение,
она требует научного подхода к изучению для решения целого ряда проблем:
рационального обоснованного выбора метода, оборудования и программного обеспечения
с учетом особенностей промышленных изделий. Поэтому вопросы выбора оборудования и
ПО для решения задач ОИ изделий являются актуальными.
Можно сказать, что на сегодняшний день наиболее массовым и технологически
простым применением ОИ является восстановление сломанных деталей от различных
82
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
бытовых приборов и электронных устройств. В основном, эту задачу берут на себя, как
рядовые пользователи 3D-принтеров, так и множество компаний, оказывающих услуги
3D-печати и БП на заказ. Рост их количества в крупных городах связан, во-первых, со
снижением стоимости оборудования, работающего по FDM-технологии и расширением
модельного ряда принтеров.
В качестве второй причины следует отметить увеличение потребности в быстром и
относительно недорогом ремонте деталей или целых узлов от устройств иностранного
производства. Это становится актуальным в случае, например, отсутствия официальных
сервис-центров компании-изготовителя, проводящих установку лицензионных запчастей в
очередном порядке, или невозможности провести замену самостоятельно. Причем,
объектами ОИ становятся не только корпуса, но и детали, подвергаемые различным
нагрузкам. Так, одними из наиболее часто восстанавливаемых деталей являются зубчатые
колеса. В качестве примера можно обратиться к видеоролику пользователя YouTube – 3DMPL, в котором описывается процесс ремонта разрушенной зубчатой пары мясорубки
(рисунок 160) [68].
Рисунок 160 – Сломанная и напечатанная зубчатые пары (зуб пара. png) [68]
Как показывает автор в ролике, моделирование зубчатых колес выполнено в системе
SolidWorks с модулем GearTraxPRO для расчета параметров зацепления (рисунок 161) и
дальнейшим автоматическим построением моделей на их основе (рисунок 162) [68].
Рисунок 161 – Окно модуля GearTraxPRO в системе SolidWorks (модуль. png) [68]
83
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 162 – Модель зубчатого колеса, построенная в SolidWorks по параметрам из
GearTraxPRO (зуб колесо. png) [68]
Другой пользователь YouTube – Print Master 3D в своем видеоролике воспроизводит
на принтере SPrinter-233 держатель SIM-карты от iPhone 5S [69], что можно отнести
именно к решению вопроса замены детали в условиях отсутствия сервис-центров.
Модель держателя предварительно разрабатывалась в Inventor (рисунок 163, слева), а
затем была напечатана из ABS [69]. Автор упоминает, что из-за малых размеров детали
возникла необходимость в приобретении сопла экструдера с отверстием Ø0.2 мм для
повышения точности печати. Также, при нанесении слоя пластика, печатающая головка
отводилась для охлаждения материала. Данная функция присутствует в слайсере Cura,
который автор использовал во время предпечатной подготовки. Для ее включения нажмем
«Подробно» > «Открыть подробные настройки» и в разделе «Охлаждение» включим
опцию «Подъем головки при охлаждении» (рисунок 164).
Рисунок 163 – Изготовление держателя SIM-карты от iPhone 5S (карта. png) [69]
Рисунок 164 – Функция отвода головки в слайсере Cura (отвод. png)
Различные примеры восстановленных изделий представлены также и Ярославской
компанией «ТЕХНО 3D» [70]. Одни из них, это: палец бобины плоттера EPSON и штуцер
нижнего дросселя (рисунок 165), корпус микро-насоса и лопастной диск (рисунок 166),
изготовленные на заказ.
84
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 165 – Сломанные и напечатанные пальцы бобины плоттера EPSON, штуцеры
дросселя (техно1. png) [70]
Рисунок 166 – Напечатанные корпус микро-насоса и лопастной диск (техно2. png) [70]
Основываясь на представленных выше воссозданных деталях, можно сделать вывод
о том, что FDM-технология подходит не только для целей БП, но и для ремонта изделий.
Однако поскольку данные образцы изготовлены сторонними пользователями, необходимо
самостоятельно выполнить ОИ конкретного объекта для освоения специфики работы.
4.2 Анализ исходной сломанной детали
В качестве исходника для ОИ была выбрана сломанная деталь с описанием процесса
восстановления, приведенным в тезисах [71, с. 86]. Деталь представляет собой держатель
стойки настольной лампы, в процессе эксплуатации которой, в зоне соединения ножки с
петлями крепления, возникли деформации и последующее разрушение (рисунок 167).
Рисунок 167 – Поврежденный держатель стойки лампы (исходник. png) [71, с. 86]
Следует отметить, что на начальном этапе восстановления детали – моделировании в
САПР, важно учитывать два фактора, которые не только отразятся на геометрии детали, а
также определят успешность получения результата:
•
анализ конструкции детали, внедрение усилений. Выполняются с целью сокращения,
или, по возможности, полного удаления напряженных зон. Другой момент – это
адаптация геометрии детали под расположение на столе принтера, обеспечивающая
печать с наименьшими затратами филамента, малым количеством поддержек;
85
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
•
технология 3D-печати. Ее выбор обусловлен использованием материалов с
необходимыми характеристиками и оборудованием, обеспечивающим соответствие
геометрии напечатанной детали с конструкторскими размерами и шероховатостью
поверхностей. Важную роль играет и доступность оборудования;
Таким образом, процесс восстановления детали не заключает только копирование
исходника с отличием в методе реализации. Подразумевается именно проведение ОКР,
включающей промежуточные стадии: печать прототипов изделия для проверки на
прочность, подбор параметров печати и величины заполнения материалом.
Обращаясь к [71, с. 86] и ВКР [72, с. 50-52], отметим, что в данных источниках не
была в полной мере проведена работа с учетом упомянутых факторов. Изначально, автор
воспроизводит деталь, идентичную сломанной (рисунок 168), а для реализации использует
принтер MZ3d-256, выполняя печать ABS. Впоследствии, автор устанавливает большое
количество поддержек под моделью, при ее горизонтальном расположении на столе
принтера, что понизило качество печати.
Второй проблемой напечатанной детали стало появление трещин и деформаций в
первоначальной зоне разрушения оригинала (рисунок 168, справа), что связано с тонкими
стенками и небольшим заполнением пластиком – менее 20%.
Рисунок 168 – Держатель, воспроизведенный в AutoCAD 2017 и сломанный после 3Dпечати (модель1. png) [72, с. 50]
Второй проблемой напечатанной детали стало появление трещин и деформаций в
первоначальной зоне разрушения оригинала, что связано с тонкими стенками и
небольшим заполнением модели пластиком – менее 20%.
С целью устранения недостатков первого варианта прототипа автор вносит
незначительные изменения в конструкцию. Как следует из рисунка 169 [72, с. 52], была
задняя часть модели была выполнена в виде опоры для печати в горизонтальном
положении, а ширина паза в задней стенке уменьшена.
Рисунок 169 – Переработанная модель держателя (модель2. png) [72, с. 52]
86
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Печать измененной детали также выполнена из ABS на принтере MZ3d-256 (рисунок
170) [72, с. 52]. Процент заполнения модели пластиком и толщина стенки такие же, как и
при изготовлении первого варианта держателя.
Рисунок 170 – Печать второго варианта держателя (печать абс. png) [72, с. 52]
Анализируя второй вариант держателя, и ориентируясь на специфику работы с
технологией FDM, можно сделать вывод о недостаточных изменениях, подтверждаемые
результатом сборки держателя. Результат повторной печати представлен на рисунке 171.
Отмеченные красным цветом трещины показывают низкую прочность воссозданной
детали, обусловленную также, как и в предыдущем случае, малым процентом заполнения
модели пластиком и расслоениями.
Рисунок 171 – Расслоения на втором варианте держателя (расслоение. png)
Соответственно, работа, выполненная ранее по восстановлению детали, не привела к
требуемому результату, ввиду несоблюдения условий ОКР и печати. Однако, основываясь
на промежуточных вариантах, возможно выполнить поэтапную разработку новой модели,
с адаптацией геометрии под печать без поддержек и с усилениями.
4.3 Этапы разработки новой модели детали
В качестве САПР для разработки модели был выбран AutoCAD 2018. Учебная версия
системы находится в открытом доступе к скачиванию и была установлена с официального
сайта Autodesk [73]. Основные этапы моделирования представлены на рисунке 172.
Рисунок 172 – Моделирование нового держателя с усилениями (держатель. dwg)
87
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.4 Постпечатные изменения в геометрии модели
Было принято решение о тестирующей печати держателя из PLA. Параметры печати
в слайсере Cura представлены на рисунке 173. Деталь напечатана на кафедральном FDM
3D-принтере Anycubic i3 Mega (рисунок 174). Так нижняя часть детали была полностью
напечатана поверх поддержек (рисунок 174). Результат, представленный на рисунке 175
[74, с. 120], не соответствовал требованиям, ввиду деформирования детали.
Теперь вернемся в AutoCAD, добавим основание (рисунок 176), чтобы расположить
деталь вертикально, для ступенчатого нанесения пластика, исключая оплавление и
поддержки.
Рисунок 173 – Параметры печати и положение модели в слайсере Cura (слайсер3. png)
Рисунок 174 – Этапы печати каймы, поддержек и нижней части детали (тест1. png)
Рисунок 175 – Результат печати (тест2. png) [74, с. 120]
Рисунок 176 – Создание основания для вертикального расположения (площадка. png)
88
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Ниже, на рисунке 177 представлено сравнение разработанного держателя с ранним
вариантом.
Рисунок 177 – Сравнение вариантов детали (прототипы. png)
4.5 Конвертация модели в формат .stl и предпечатная подготовка в модулях 3Dпечати в САПР
Первым шагом в подготовке спроектированной модели к печати является перенос
файла из расширения редактора в единый формат для работы с 3D-принтерами -.stl.
Рассмотрим данную операцию на примере работы с деталью в некоторых популярных
системах 3D-моделирования: AutoCAD 2018, SketchUp Pro, Fusion 360, Inventor Pro 2017,
CimatronE.
4.5.1 Конвертация модели в формат .stl в AutoCAD 2018
Выделим левой кнопкой мыши модель, открытую в рабочей области редактора.
Далее, не отменяя выделение, в строке команд введем «_stl». В появившемся списке
необходимо выбрать «STLOUT», обычно занимающую верхнюю позицию (рисунок 178).
Рисунок 178 – Ввод команды «STLOUT» (стл. png)
Затем клавишей «Enter» подтверждаем команду, завершающуюся захватом модели
системой и предложением подтвердить создание .stl-файла. Необходимо нажать «Y/<Д>
(рисунок 179). При этом автоматически снимается выделение модели.
89
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
После выполнения команды открывается окно сохранения файла с выбором удобной
для работы папки (рисунок 180). Данным действием заканчиваем конвертацию.
Рисунок 179 – Подтверждение создания .stl-файла (подтверждение. png)
Рисунок 180 – Окно сохранения файла (сохранение в стл. png)
Экспорт в .stl можно осуществить и другим способом. В верхнем меню AutoCAD
выбираем функцию «Экспорт», как показано на рисунке 181, а затем указываем «Другие
форматы». Открывается окно «Экспорт данных», в нижней части которого находится
раздел «Тип файла». В этом разделе находим формат «Литография (* .stl)» (рисунок 181,
справа), после чего сохраняем модель в .stl.
Рисунок 181 – Функция «Экспорт» в AutoCAD и сохранение файла (экспорт в кад. png)
90
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.5.2 Конвертация модели в формат .stl в SketchUp Pro
«SketchUp Pro – простая программа для 3D-моделирования. Она позволяет создавать
относительно простые объекты, такие как: архитектурные строения, предметы мебели,
интерьера и т. д.» Версия программы Pro поставляется вместе с двумя дополнительными
компонентами: LayOut и Style Builder» [75].
•
«LayOut – приложение для оформления документации на основе моделей из
SketchUp» [75];
•
«Style Builder – редактор для настройки эффектов в стилях SketchUp Pro» [75].
Для экспорта в .stl из SketchUp необходимо скачать специальный плагин, перед
загрузкой которого требуется регистрация на сайте [76]. После скачивания файлы плагина
копируем в корневую папку SketchUp. Для установки расширения запускаем SketchUp, в
верхнем меню выбираем вкладку «Окно», как показано на рисунке 182, далее нажимаем
«Диспетчер расширений».
Рисунок 182 – Выбор Диспетчера расширений (диспетчер. png)
В открывшемся диалоговом окне выбираем «STL Import & Export», нажимаем
«Установить расширение» (рисунок 183), указываем путь до скаченного плагина и
нажимаем «Открыть». В окне соглашаемся на вопрос, хотим ли установить расширение.
После сообщения об установки плагина, в верхнем меню программы, во вкладке «Файл»
должна появиться функция «Export Stl» (рисунок 184).
Рисунок 183 – Выбор и установка расширения STL (расширение. png)
91
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 184 – Функция экспорта в формат .stl (функция эксп. png)
Выделяем левой кнопкой мыши всю модель и нажимаем «Export Stl». В окне «SIL
Export Options» (рисунок 185) указываем «Millimeters» в строке размерности модели
«Export unit» и структуру кода «Binary» в «File format». После активации «Export»
открывается окно, в котором сохраняем полученный .stl файл (рисунок 185, справа).
Рисунок 185 – Окно параметров конвертации и сохранение файла (параметры2. png)
4.5.3 Конвертация модели в формат .stl в Cimatron E11
Cimatron является интегрированной CAD/CAM системой. Программное обеспечение
предназначено для использования инженерами, техниками и проектировщиками, которые
связаны с планированием, черчением, анализом и обработкой деталей на станке с ЧПУ.
Особое внимание в Cimatron уделено разработке высокопроизводительных программных
решений для задач инструментального производства, проектированию пресс-форм,
штампов листовой штамповки, электродов для электроэрозионной обработки [77].
Для того, чтобы в Cimatron E11 экспортировать созданную модель в формат .stl,
предварительно полностью выделяем ее. Далее во вкладке «File» выбираем функцию
«Export» (рисунок 186), а затем из «To External File» переходим в «Pick Entites». В
появившемся окне «Feature Guide» нажимаем «ОК», подтверждая конвертацию (рисунок
187). Последним окном является «Export Modeling», изображенный на рисунке 188. В
графе «Files of type» выбираем требуемый формат, а в «Export settings» оставляем
«Default».
92
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 186 – Подготовка к экспорту в .stl (симатрон1. png)
Рисунок 187 – Подтверждение конвертации (симатрон2. png)
Рисунок 188 – Сохранение файла (симатрон3. png)
93
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Необходимо отметить, что в данной работе для демонстрации экспорта файла в .stl в
Cimatron E11, модель не создавалась специально в данной системе, а конвертировалась из
файла формата AutoCAD - .dwg. Важно учитывать совместимость обеих программ и для
корректной работы сохранять .dwg в версии AutoCAD того же года выпуска, что и
Cimatron, или более раннего. Иначе импорт становится невозможным и сопровождается
комментарием «This file could be not converted».
4.5.4 Конвертация модели в формат .stl во Fusion 360
Autodesk Fusion 360 – облачная CAD/CAM система. Она объединяет промышленный
и механический дизайн, совместную работу и механическую обработку в едином,
доступном решении. Учебная версия системы находится в свободном доступе и может
быть установлена с официального сайта компании Autodesk (рисунок 189) [73].
Чтобы экспортировать модель, созданную во Fusion 360 (рисунок 190), в формат .stl,
во вкладке «File» выбираем пункт «3D Print» (рисунок 191). Этот пункт также есть во
вкладке «Make». Далее появляется меню, в котором находится включенная функция «Send
to Print Utility» (рисунок 191, справа) для прямой отправки модели в Autodesk Meshmixer,
если имеется необходимость работы непосредственно с самим файлом .stl, или напрямую,
в слайсеры Cura и MakerBot. В случае простого сохранения снимаем флажок с данной
функции и выделяем деталь левой кнопкой мыши. При этом, часть меню, связанная с
Meshmixer, отключается, активируется клавиша «OK» (рисунок 192). Нажимаем ее и
сохраняем файл в окне «Save STL» (рисунок 193).
Рисунок 189 – Страница Fusion 360 на сайте Autodesk (360. png) [78]
Рисунок 190 – Модель в среде Fusion 360 (фьюжн. png)
94
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 191 – Пункт «3D Print» во вкладке «File» и функция «Send to Print Utility»
(фьюжн1. png)
Рисунок 192 – Выделение модели и отключение функции «Send to Print Utility» (фьюжн2.
png)
Рисунок 193 – Сохранение файла .stl в окне Save STL (фьюжн3. png)
95
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.5.5 Конвертация модели в формат .stl в Inventor Professional 2017
Autodesk Inventor представляет собой средство для разработки изделий и выпуска
документации. Эта система позволяет выполнить полноценный цикл проектирования и
формирования документов по конструкторским проектам. Важно отметить тот факт, что
Inventor 2017 поддерживает Windows 8 и 10. Учебная версия системы находится в
свободном доступе и может быть установлена с официального сайта компании
Autodesk [73].
Чтобы экспортировать модель, созданную в Inventor (рисунок 194), в формат .stl,
необходимо на Панели вкладок выбрать вкладку «Среды», в которой находится иконка
«3D-печать» (рисунок 194, справа). После включения иконки модель попадает в
пространство модуля подготовки к печати (рисунок 195), где расположена на виртуальном
столе принтера. В правом углу панели инструментов нажимаем иконку «STL» (рисунок
196) и сохраняем файл в формате .stl в появившемся окне.
Рисунок 194 – Модель в среде Inventor Professional 2017 и иконка модуля 3D-печати во
вкладке «Среды» (инвентор1. png)
Рисунок 195 – Модель в пространстве модуля подготовки к 3D-печати (инвентор2. png)
Рисунок 196 – Иконка сохранения модели в формат .stl (инвентор3. png)
96
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.5.6 Модуль подготовки к 3D-печати в Inventor Professional 2017
Рассмотрим подробнее модуль подготовки к 3D-печати в Inventor Professional 2017
(рисунок 197). В целом, он представлен ограниченным набором функций, среди которых
находятся команды для управления положением модели на плоскости или по грани
(рисунок 198), а также «Разделение» .stl-модели на отдельные блоки, если размеры модели
превышают габариты области печати (рисунок 199).
Рисунок 197 – Панель инструментов в разделе 3D-печати (инвентор4. png)
Рисунок 198 – Управление положением модели (инвентор5. png)
Рисунок 199 – Команда разделения .stl-модели на блоки (инвентор6. png)
97
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
С помощью функции «Непосредственное редактирование» редактируется масштаб и
поворот на определенный угол. На рисунке 200 показана модель, увеличенная в 2 раза.
Функция выбора принтера помогает настроить область печати под оборудование,
которое уже имеется в библиотеке Inventor. Однако, стоит отметить, что количество
добавленных производителей, как FDM- так и DLP-, SLA-принтеров очень ограничено и
представлено только «брендовыми» компаниями: Bosh Tool Corporation, Stratasys,
Ultimaker, Type A, Autodesk Ember, MakerBot (рисунок 201), без возможности установить
собственные параметры, например, под самодельный принтер.
Рисунок 200 – Выбор направления поворота модели (инвентор7. png)
Рисунок 201 – Библиотека производителей и моделей 3D-принтера (инвентор8. png)
При конвертации файла в .stl, для повышения полигональности модели также
обратимся к функции «Параметры печати» (рисунок 202). В ней задается формат и
структура кода - двоичный или ASCII (при выборе последнего отключается экспорт
цвета), а также разрешение (высокое, среднее и низкое). Самостоятельно настроить
разрешение можно, включив «Пользовательское». Чтобы отобразить или скрыть сетку
треугольников, образующих модель, воспользуемся командами «Отображение сети» и
98
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
«Ребра сети» (рисунок 203). Таким образом отслеживается изменение полигональности
после работы с предыдущей функцией.
Рисунок 202 – Окно «Параметры сохранения в формате STL» (инвентор9. png)
Рисунок 203 – Отображение сетки при среднем и высоком разрешении
(инвентор10. png)
Предпоследней в Панели инструментов модуля является функция перехода в
Autodesk Print Studio (рисунок 204). Данная программа не является изначально встроенной
в Inventor или Fusion 360, поэтому, при необходимости, скачивается с сайта Autodesk [83].
Рисунок 204 – Иконка перехода в Print Studio (инвентор11. png)
99
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
В целом, данный модуль подготовки к 3D-печати не является в какой-либо мере
заменой слайсера или удобным дополнением к нему. Причина заключается в отсутствии
управления основными настройками печати (высота слоя, установка поддержек,
заполнение модели и т. д.), также в малом количестве принтеров в библиотеке. В качестве
наиболее полезной функции отметим изменение полигональности, что немаловажно при
необходимости более точного воспроизведения модели принтером.
4.5.7 Подготовка .stl-модели в Autodesk Print Studio
Print Studio – инструмент, предоставляемый в рамках технологии Autodesk SPARK и
3D-принтера EMBER, и загружается с сайта Autodesk SPARK [78]. SPARK – это открытая
платформа для использования технологий и служб 3D-печати, объединяющая ПО,
оборудование и материалы. Если Print Studio установлена, то Inventor запустит ее из среды
3D-печати и поместит текущую модель 3D-печати в пространство сборки. В настоящий
момент программа доступна только для 64-разрядных компьютеров.
В AutoCAD Print Studio расположена во вкладке «Вывод» (рисунок 205).
Рисунок 205 – Print Studio в AutoCAD 2018 (принт0. png)
Чтобы ориентироваться в программе, воспользуемся материалом из видеоурока [79].
Первым шагом после запуска Print Studio необходимо настроить область печати путем
выбора принтера и соединения с ним. Например, выберем MakerBot Replicator 2 (рисунок
205). После нажатия «ОК» открывается рабочее пространство (рисунок 206).
Рисунок 205 – Окно выбора и соединения с принтером (принт1. png)
100
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 206 – Рабочее пространство Print Studio (принт2. png)
Далее, с помощью «Import» загружаем модель в рабочее пространство. В его верхней
части расположены остальные пять этапов подготовки. Используя «Layout», изменяем
положение модели на столе и масштабируем ее (рисунок 207), устанавливаем на одну из
плоскостей. Другой полезной функцией является «Repair», проводящая анализ детали на
незамкнутость поверхностей и проводящая их «ремонт». На рисунке 208 показано, что в
данном случае анализ показал полное отсутствие дефектов.
При необходимости, функцией «Supports» внутри и вокруг модели автоматически
генерируются поддержки (рисунок 209) с возможностью их удаления или изменения
командой «Material Support». Следует отметить, что подобная структура поддержек
является неэффективной для FDM-печати и больше рассчитана на совместное
использование с фотополимерными принтерами, как показано на примере импеллера на
рисунке 209, справа.
Рисунок 207 – Работа с масштабом и положением модели в «Layout» (принт3. png)
Рисунок 208 – Результат анализа на незамкнутость (принт4. png)
101
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 209 – Поддержки, сгенерированные программой, и на другой готовой детали
(принт5. png)
Также в Print Studio имеется возможность предварительного просмотра печати–
«слайсинга» при помощи функции «Preview» (рисунок 210). Перемещая флажок,
запускается моделирование каждого слоя, включая поддержки и внутреннее заполнение.
Одновременно с этим, в окне «Slice Preview» указывается номер слоя. Используя «Export»,
сохраняем подготовленную .stl-модель в формат работы с выбранным принтером
MakerBot Replicator 2 - .x3g (рисунок 211).
Рисунок 210 – Функция слайсинга «Preview» (принт6. png)
Рисунок 211 – Экспорт файла (принт7. png)
102
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
В заключение по работе с Print Studio можно сказать, что данная программа имеет
более расширенный спектр инструментов, в сравнении с модулем для Inventor, однако
также не может быть полноценной заменой ни слайсеру для FDM-печати, например, Cura,
ни ПО, отдельно выпускаемым производителями фотополимерных принтеров, так как в
сравнении с ними предоставляет пользователю крайне ограниченные возможности по
настройке параметров печати. В частности, модуль для 3D-печати в Inventor и Print Studio
на данный момент остаются в роли «буфера» между САПР и слайсером, и применение
которого для профессиональных пользователей 3D-принтеров не актуально.
4.6 Влияние полигональности на качество моделей формата .stl
Следующий шаг подготовки заключается в настройке «сглаживания» поверхностей
модели. Возвращаясь к рисунку 173 в п.4.4, стоит обратить внимание на покрытие
некоторых поверхностей дополнительными гранями и углами. «Суть описанного явления
заключается в моменте, в котором выбранные для конвертации файлы экспортируются в
формат .stl, выражаются в виде сетки массива треугольников (полигонов), описывающих
объект. Чем меньше размер полигонов, тем поверхность является более гладкой
и качественной. Однако повышение числа треугольников будет приводить к увеличению
размера файла, и наоборот» [80].
На рисунке 211 можно увидеть градацию от высокополигональных моделей (справа)
к низкополигональным (слева). Модели подготовлены в 3Ds Max 2017 c применением
модификатора Turbo Smooth. «В данном примере размер файла левой сферы является
относительно большим, в то время как правая имеет меньший размер файла. В целом,
задачей 3D-дизайнера на данном этапе является поиск компромисса между поддержанием
необходимого заказчику качества напечатанного изделия и размером его модели» [80].
Рисунок 211 – Повышение полигональности объекта в 3Ds Max модификатором Turbo
Smooth (сглаживание. png) [80]
«Во многих системах для моделирования, предлагается определить максимальную
точность или отклонение файла. Этот допуск определяется как максимальное расстояние
между первоначальной формой и сеткой .stl экспорта. Рекомендуется выбирать
допуск 0.01 мм. Экспорт с допуском менее 0.01 мм не целесообразен, так как многие
модели принтеров не могут печатать точнее указанного уровня детализации. При экспорте
файла с допуском больше, чем 0.01 мм, треугольники могут стать видны при печати»
[80].
4.6.1 Быстрый просмотр .stl-модели в Microsoft 3D Builder
Чтобы произвести быструю оценку полигональности детали используем одно из
наиболее доступных средств для просмотра 3D-моделей. Подобной утилитой является
программа Microsoft 3D Builder, скачиваемая для Windows 8, 10 из Microsoft Store [81] и
расположенная в разделе «Приложения» магазина (рисунки 212, 213). «В функционале 3D
103
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Builder имеется возможность просмотра полученных моделей с любого ракурса, их
редактирования и вывода на 3D-принтер» [82].
После запуска 3D Builder.exe, в меню с основными разделами (рисунок 214) для
добавления .stl файла нажимаем «Открыть», через который происходит переход в окно
загрузки, выбора изображения и сканирования (рисунок 215).
Рисунок 212 – Загрузка 3D Builder из Microsoft Store (скачивание билдера. png) [81]
Рисунок 213 – Иконка утилиты (иконка. png)
Рисунок 214 – Запуск программы (запуск билдера. png)
Рисунок 215 – Окно загрузки (загрузка в билдер. png)
104
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
3D Builder поддерживает работу с различными форматами: .stl, .obj, .mix и
собственный формат программы – .3MF. После нажатия «Загрузить объект» и выбора
файла с модели .stl, переходим в сетчатую рабочую область с отображенной моделью. При
помощи набора команд внизу области можно управлять текущим положением детали и
изменять ее масштаб (рисунок 216).
Рисунок 216 – Модель держателя в рабочей области 3D Builder (область билдера. png)
4.6.2 Быстрый просмотр .stl-модели в ModuleWorks STL View
Помимо 3D Builder, для просмотра созданного файла .stl можно воспользоваться
простой программой ModuleWorks STL View, которая находится в свободном доступе для
Windows 8, 10 и смартфоны с Android (рисунок 217), что немаловажно для пользователей,
управляющих 3D-принтерами через мобильные устройства [83].
Запускаем иконку STLView.exe (рисунок 218). Загружаем модель через вкладку
«Load Model»> «Add Model», либо перетаскиваем сам файл в рабочее пространство
программы (рисунок 219).
Рисунок 217 – Сайт ModuleWorks (модул стл. png) [83]
Рисунок 218 – Иконка программы (иконка2. png)
105
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 219 – Загрузка модели в ModuleWorks STL View (вьювер стл. png)
Рядом с «Load Model» расположены еще 2 вкладки – «Options» и «View» (рисунок
220). В первой можно изменить цвет пространства, убрать сетку и посмотреть модель в
различных видах, в том числе и в виде массива треугольников (Wireframe). «Smooth
Shading» показывает объект полигональным или более сглаженным (рисунок 221), однако
в дальнейшем, сглаживание нельзя сохранить из-за отсутствия подобной функции.
Функции вкладки «View» заменяют собой видовой куб.
Рисунок 220 – Вкладки «Options» и «View» (вкладки. png)
Рисунок 221 – Работа функции «Smooth Shading» (функция2. png)
106
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Просмотр загруженного .stl-файла держателя в указанных выше программах дает
представление о необходимости увеличения количества полигонов, образующих модель,
чтобы в дальнейшем повысить качество ее печати. Для этого вернемся в САПР, в котором
модель была разработана.
4.6.3 Методика увеличения полигональности модели в AutoCAD 2018, Inventor
Professional 2017 и во Fusion 360
Правой кнопкой мыши вызываем контекстное меню, в котором находится вкладка
«Параметры». Как изображено на рисунке 222, далее находим раздел «Экранное
разрешение» с расположенными функциями «Сглаживание дуг и окружностей», «Число
сегментов в дугах полилиний», «Сглаживание визуализированных объектов» и «Число
образующих в поверхностях». Вводим значения, повышающие количество полигонов
(рисунок 223), с учетом диапазона минимума и максимума, сообщаемого системой.
Нажимаем клавишу «Ок». Для отображения на теле модели внесенных изменений
переключаем визуальный стиль. Например, с Концептуального на 2D-каркас (рисунок
224).
В заключении модель вновь конвертируется в формат .stl, следуя методике,
приведенной в п.п.4.5.1. Полученный файл повторно просматриваем в 3D Builder или STL
View. Рисунок 225 дает представление, что выполненные действия привели к требуемому
результату.
Рисунок 222 – Раздел AutoCAD «Экранное разрешение» в окне «Параметры»
(параметры3. png)
Рисунок 223 – Ввод значений (значения кад. png)
107
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 224 – Отображение увеличенного числа полигонов в каркасном стиле (каркас.
png)
Рисунок 225 – Повторный просмотр в 3D Builder (область билдера2. png)
Для повышения полигональности в Inventor используем модуль подготовки к 3Dпечати, ранее представленный в п.п.4.5.6, в частности, его функцию «Параметры
печати». Выполним сохранение моделей с низким и высоким разрешением и проверим
результаты в слайсере Cura или в 3D Builder (рисунок 226).
Рисунок 226 – Просмотр в Cura сглаживания моделей из Inventor низкого и высокого
разрешения (сглаживание2. png)
108
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Аналогичным образом повышение полигональности выполняется во Fusion 360.
Заходим во вкладку «Make» и выбираем пункт «3D Print». В строке «Refinement»
(Разрешение) выбираем качество конвертации в .stl – «Low», «Medium», «High» (рисунок
227). Последующий результат сглаживания идентичен представленному на рисунке 226.
Рисунок 227 – Выбор полигональности .stl- файла в 3D Print (фьюжн5. png)
4.7 Устранение незамкнутостей в геометрии .stl-модели в Autodesk Netfabb Premium
2019 и Microsoft 3D Tools Repair
Перед загрузкой модели в слайсер необходимо выполнить ее проверку и «ремонт».
Это связано с тем, что для 3D-печати нужен «чистый», другими словами, не содержащий
ошибок .stl-файл, экспортированный из САПР. Этот нюанс крайне важен, ведь даже та
модель, которая на экране компьютера выглядит полностью замкнутой, может обладать
определёнными дефектами, такими как отсутствие полигонов в разных местах или
заполнение отверстий поверхностями, способными существенно испортить результат 3Dпечати или же вовсе сделать её невозможной.
В большинстве случаев дефекты в .stl-файле появляются в процессе конвертации из
CAD. Для их устранения воспользуемся двумя наиболее доступными программами Autodesk Netfabb Premium 2019 и онлайн-сервисом Microsoft 3D Tools Repair. В качестве
объекта используем модель, ранее экспортированную из CimatronE.
4.7.1 Методика работы в Autodesk Netfabb
Autodesk Netfabb является усовершенствованной версией онлайн-приложения
NetFabb, приобретенного в 2015 году компанией Autodesk. К настоящему моменту в
программе оптимизированы интерфейс и функционал. Так, рабочая панель перенесена в
левую сторону окна. Добавлены некоторые возможности, в том числе возможность
генерации и редактирования в ручном режиме поддерживающих структур модели.
Бесплатную версию программы на 30 дней пользования можно скачать с сайта Autodesk
[73]. Процесс установки аналогичен другим продуктам Autodesk.
Для работы с программой воспользуемся методикой с сайта [84]. Чтобы загрузить
файл в рабочую область (рисунок 228), нужно в меню выбрать вкладку «Open Project» и в
открывшемся подменю нажать «Open» (рисунок 229) В процессе загрузки Netfabb
автоматически запускает предварительный анализ, чтобы определить возможные
109
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
проблемы в ходе печати (рисунок 230). Наиболее распространённые ошибки: отверстия в
модели, открытые края, треугольники с ориентацией наизнанку.
Рисунок 228 – Рабочая область Netfabb Premium 2019 (нетфабб. png)
Рисунок 229 – Загрузка файла (нетфабб1. png)
Рисунок 230 – Ошибка при анализе модели (нетфабб2. png)
Если программа находит какие-либо ошибки в модели, то она об этом сигнализирует
большим восклицательным знаком в правом нижнем углу экрана. Кроме того, не
полностью рассчитывается объем модели. В нашем случае обнаружены и отмечены
проблемы (рисунок 231).
110
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 231 – Неполный расчет объема программой (нетфабб3. png)
Далее выполняем более тщательную проверку. На верхней панели инструментов
нажимаем «New Analisys». В открывшемся меню выбираем опцию «Standard Analysis», и
на появившейся информационной панели справа будут указаны зоны дефектов и общая
характеристика проекта (рисунок 232). Чтобы отобразить все зоны на модели, на
информационной панели также нажимаем «Repair» (рисунок 233), которая затем
появляется и на панели вкладок.
Рисунок 232 – Информация о модели и зонах дефектов (нетфабб4. png)
Рисунок 233 – Визуальное отображение зон дефектов (нетфабб5. png)
111
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Для запуска автоматического «ремонта» модели, на панели вкладок вновь нажимаем
«Repair», а затем «Automatic Repair», после нажатия которой, начнётся процесс
исправления файла. Далее выбираем опцию «Default», чтобы установить значения по
умолчанию (рисунок 234) и «Execute».
Рисунок 234 – Запуск автоматического ремонта модели (нетфабб6. png)
В результате Netfabb задействует ряд алгоритмов восстановления, чтобы сделать .stlфайл пригодным для 3D-печати. Этап исправления ошибок может занять некоторое время,
особенно, если модель содержит большое количество треугольников. Как показано на
рисунке 235, после исправления модель показана полностью замкнутой.
Рисунок 235 – Модель полностью замкнута после «ремонта» (нетфабб7. png)
Процесс восстановления считается полностью завершенным после применения
изменений к исходнику проекта. Нажимаем на клавишу «Apply Repairs» во вкладке
«Repair». В результате программа предлагает удалить или сохранить исходную модель до
исправлений. Нажимаем «Remove old Part» (рисунок 236).
Рисунок 236 – Удаление модели с дефектами (нетфабб8. png)
112
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
После удаления модели с дефектами, в рабочей области появляется новая модель
другого цвета (рисунок 237). Кроме того, полностью определяется значение объема
модели. Сохраняем полученную модель в формат .stl с помощью функции «Export Project
to STL» (рисунок 238) и завершаем таким образом работу с Netfabb.
Рисунок 237 – Исправленная модель (нетфабб9. png)
Рисунок 238 – Сохранение новой модели в формате .stl (нетфабб10. png)
4.7.2 Методика работы в Microsoft 3D Tools Repair
3D Tools Repair является онлайн-ресурсом для «ремонта» простых с точки зрения
геометрии .stl-моделей. Данная программа разработана в рамках поддержки компанией
Microsoft пользователей 3D-принтеров, которые только начинают осваивать технологию
3D-печати и, либо моделируют небольшие объекты, либо используют готовые файлы из
113
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Сети. Чтобы воспользоваться данным ресурсом, необходимо зайти на его официальный
сайт [85] и создать профиль (рисунок 239).
После регистрации окно сайта изменяется и появляется возможность загрузить
модель, автоматически произвести «ремонт» и сохранить на ПК полученный файл в
собственном формате программы – .3MF (рисунок 240). Важно отметить, что
максимальный вес загружаемой модели не должен превышать 100 Мб, а время «ремонта»
может варьироваться от нескольких секунд до десятков минут.
Чтобы сконвертировать модель из формата .3MF в формат .stl, вновь запускаем 3D
Builder, загружаем файл и нажимаем «Импорт модели». Во вкладке «Файл» выбираем
«Сохранить как» и сохраняем, как показано на рисунке 241.
Рисунок 239 – Сайт Microsoft 3D Tools Repair и вход в профиль (сайт тулз. png) [85]
Рисунок 240 – Процесс работы с ресурсом (сайт тулз2. png) [85]
Рисунок 241 – Конвертация в формат .stl в 3D Builder (формат билдера. png)
Итак, основная подготовка модели, включающая работу с геометрией, повышение
полигональности, а также устранение незамкнутостей, завершена. Однако, перед началом
3D-печати необходимо настроить ее параметры и режимы в слайсере, например, в Cura, о
чем пойдет речь в следующем пункте.
114
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.8 Настройка параметров 3D-печати в слайсере Cura 15.04.6
Слайсеры предназначены для предпечатной обработки .stl-файлов – их нарезания на
отдельные элементы и получения УП 3D-принтера. «Каждый элемент – это слой,
считываемый принтером при построении готового объекта. От корректности нарезки
зависят такие характеристики изделия, как соответствие геометрии, шероховатость
поверхности, подверженность деформации непосредственно в процессе печати» [86].
«Cura – одно из популярных ПО, которое отличается простотой использования и в то
же время обладает одним из наиболее практичных и универсальных наборов функций,
чем и объясняется ее популярность. Допечатная подготовка файла во многом
автоматизирована – это позволяет избежать деформаций при прототипировании и
качественно улучшить детализацию» [86].
Для установки слайсера на ПК необходимо посетить сайт компании-разработчика
Ultimaker [87]. В разделе «Products» выбираем «CuraSoftware», а затем «View all versions»
и ищем в списке требуемую платформу и версию программы, как показано на рисунках
242, 243. В данном случае это Windows и Version: 15.04.6. При скачивании сайт может
предложить заполнить небольшую анкету, которую можно пропустить.
Рисунок 242 – Раздел Cura Software на сайте компании Ultimaker (cura. png) [87]
Рисунок 243 – Выбор требуемой платформы ПК и версии Cura (cura1. png) [87]
115
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
После установки слайсера и запуска (рисунок 244), необходимо настроить профиль
нового принтера Возможности программы позволяют сделать множество одновременно
функционирующих профилей под разные модели, что немаловажно для пользователей,
работающих сразу с несколькими принтерами.
Рисунок 244 – Окно запуска Cura 15.04.06 (cura2. png)
Настроим Cura под принтер Anycubic i3 Mega. В «Мастере настройки» (рисунок
245) выбираем «Другие» > «Prusa Mendel i3» (платформа i3 Mega). При подключении
принтера собственной сборки или из кит-комплекта, например, Ultimaker Plastmaska,
нажимаем «Другой» и в новом окне указываем основные настройки (рисунок 246).
После нажатия «Finish» слайсер открывает меню основных настроек и область
печати, в которой по умолчанию уже находится какая-либо модель (рисунок 247). Для
удаления выделим ее левой кнопкой мыши, а затем правой вызовем контекстное меню с
командой «Удалить объект» (рисунок 248).
Рисунок 245 – Выбор платформы Prusa Mendel i3 (cura3. png)
Рисунок 246 – Ввод параметров принтера собственной сборки (cura4. png)
116
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 247 – Область печати слайсера с оригинальной моделью (cura5. png)
Рисунок 248 – Удаление модели (cura6. png)
Однако, настройка слайсера под Anycubic i3 Mega еще не завершена. На верхней
панели вкладок открываем «Принтер» и, если уже созданы несколько профилей,
выбираем нужный и переходим в раздел «Настройки принтера» (рисунок 249).
Рисунок 249 – Вкладка «Принтер» (cura7. png)
•
•
•
•
•
•
•
•
В этом разделе можно настроить, как показано на рисунке 250:
количество шагов двигателя на 1 мм выдавливаемой нити;
размеры области;
количество экструдеров (до 5);
рабочий стол принтера с подогревом или без;
для дельта-принтеров можно выбрать 0 в центре платформы;
форма рабочего стола (квадрат или круг);
тип используемого gcode (Marlin/Sprinter, Volumetric, UltiGCode, MakerBot);
размер печатной головки (необходимо при печати несколько деталей по очереди);
117
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
•
•
номер порта и скорость соединения в случае подключения принтера к компьютеру;
так же можно здесь удалить принтер из программы или переименовать его. На
рисунке 249 был показан уже переименованный принтер.
Значения, изображенные на рисунке 250, были введены исходя из рекомендаций в
официальной инструкции к принтеру [88, с. 25].
Рисунок 250 – Окно настроек принтера Anycubic i3 Mega (cura8. png)
Отметим, что при первом запуске слайсера могут по умолчанию открыться
настройки быстрой печати, где доступны только тип материала, требуются ли поддержки,
тип прилипания к столу и 3 параметра качества:
•
high – программа автоматически настраивает процесс и обеспечивает высокую
детализацию. Недостаток – длительное время прототипирования;
•
normal – более быстрый вариант при удовлетворительном качестве воспроизведения;
•
fast – малые затраты времени с низким качеством печати. Подходит для печати
черновых моделей;
В случае перехода в полный набор настроек, требуется открыть вкладку «Подробно»
и выбрать «Переключиться на…» (рисунок 251). При переходе становится активной
функция «Открыть подробные настройки» (рисунок 252).
Рисунок 251 – Переход к полному набору настроек (cura9. png)
Рисунок 252 – Открытие подробных настроек (cura10. png)
118
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Окно подробных настроек представлено на рисунке 253. Обзор практического
применения одной из данных настроек – функции охлаждения был представлен ранее в
п.4.1 и на рисунках 163, 164. Закрываем окно подробных настроек и обратим внимание на
основные и продвинутые параметры печати (рисунок 254).
Рисунок 253 – Окно подробных настроек (cura11. png)
Рисунок 254 – Основные и продвинутые параметры печати (cura12. png)
119
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
03.06.2019 10:00.pdf
Вкладка основных настроек содержит в себе:
«Высота слоя» (мм). Определяет высоту каждого наносимого слоя (например, 0.1
мм). Большинство современных принтеров, в частности, Ultimaker 2+, показывают
отличные результаты при толщине 0.04-0.06 мм;
«Толщина стенки» (мм) задает толщину стенок изделия. Чем выше значение, тем
прочнее модель;
«Включить откат» – обязательная к использованию функция, включающая
втягивание пластика в тех местах, в которых не производится печать;
«Заполнение модели». «Толщина Низ/Верх» (мм) – это толщина основания и крышки
изделия. От выбора параметра «Плотность заполнения» (%) зависит, какой будет
модель – например, цельной (100%) или полой (0%);
«Скорость и температура» напрямую влияют на качество объекта. В зависимости
от конструкции принтера, удовлетворительные результаты достигаются при
скорости 50-100 мм/с, а более точные данные можно получить опытным путем;
для печати сложных изделий обязательно использование структур поддержки, как
было ранее показано на рисунках 173-175;
в параметре «Тип поддержки» можно либо отказаться от структур при выборе «Нет»
(рисунок 255) или установить только под выступающими элементами – «От
поверхности» или во всей модели;
«Тип прилипания к столу» определяется в зависимости от требуемой величины
адгезии к рабочему столу. При минимизации риска отклеивания изделия выбираем
опцию «Кайма» (рисунок 256);
при печати ABS или если принтер не оснащен специальным адгезионным покрытием
стола, рекомендуется создать дополнительную прослойку между столом и моделью с
помощью функции «Подложка» (рисунок 257);
диметр нити указывается равным диаметру прутка, используемого в данный момент,
например, 1.75 мм.
Рисунок 255 – Установка поддержек (cura13. png)
Рисунок 256 – Установка каймы (cura14. png)
120
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 257 – Окно настройки параметров подложки (cura15. png)
Вкладка продвинутых настроек содержит в себе:
•
раздел «Откат» с опциями «Скорость» (мм/с) и «Расстояние» (мм). Для
большинства принтеров они определены по умолчанию и равны 40 мм/с и 4.5 мм,
соответственно;
•
от выбора высоты первого печатного слоя зависит статичность положения модели на
столе – чем толще слой, тем лучше адгезия. Большинством пользователей
оптимальным значением считается 0.2 мм;
•
«Ширина линий переходного слоя» (мм) определяет ширину экструзии первого слоя;
•
«Обрезать объект снизу на» (мм) позволит срезать объект в месте сцепления его
основания со столом или подложкой;
•
«Скорость перемещения» (мм/с), или скорость движения экструдера вне области
печати, лучше выбрать в пределах скорости самой печати, чтобы избежать вибраций
при резком ускорении печатающей головки и стола;
•
от «Скорости печати первого слоя» (мм/с) зависит скорость печати основания
детали, и фиксация от 20 до 40 мм/с считается оптимальным показателем для
большинства устройств;
•
«Скорость заполнения» (мм/с) регулирует печать внутренних структур. При 0.0
мм/с она будет такой же, как и скорость печати остальных элементов;
•
«Скорость печати внутренней границы» (мм/с) и «Скорость печати внешней
границы» (мм/с) регулируют скорость печати внешней и внутренней оболочки.
•
«Охлаждение» - опция, управляющая временем охлаждения каждого нанесенного
слоя пластика. Иногда, при использовании ABS, обдув может быть отключен, чтобы
избежать деламинации. Но, при печати из PLA, он необходим для предотвращения
оплавления.
Также рядом с вышеуказанными вкладками расположена «Start/End-GCode», в
которой отображается автоматически генерируемая слайсером УП для принтера (рисунок
258). Начало и окончание программы обозначается, как «start.gcode» и «end g.code».
121
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 258 – Фрагмент сгенерированной УП принтера (cura16. png)
Загружаем подготовленный .stl-файл модели в слайсер. Это можно выполнить тремя
способами: открыть «Файл» и выбрать «Загрузить файл модели…», воспользоваться
иконкой в левом верхнем углу области (рисунок 259), либо просто перенести файл в
область печати. Во всех случаях модель автоматически появляется в центре виртуального
стола (рисунок 260).
Рисунок 259 – Разные способы загрузки модели в слайсер (cura17. png)
Рисунок 260 – Возможные положения загруженной модели на виртуальном столе (cura18.
png)
122
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Как показано на рисунке 260, загруженная модель имеет положение, при котором
качественная печать невозможна без добавления поддержек, что отрицательно скажется
на качестве поверхностей. Проверим данное утверждение, указав «От поверхности» в
«Тип поддержки» и добавив кайму. Далее в правом верхнем углу области нажимаем на
иконку «Виды» и выбираем последнюю команду с обозначением слоев. В этом режиме
траектория подвода и отвода печатающей головки обозначена синим цветом, а объект
отображается с каймой и поддержками (рисунок 261). Также можно отследить построение
каждого слоя пластика через симуляцию (рисунок 262). Таким образом становится видно,
что нижняя и средняя части модели, а также крепежные отверстия строятся с опорой на
структуры.
Рисунок 261 – Переход к визуализации поддержек и каймы (cura19. png)
Рисунок 262 – Симуляция построения слоев (cura20. png)
Изменим положение модели с помощью функции поворота, расположенной внизу
области. Если функция не активна, то выделим модель левой кнопкой мыши. При
нажатии на иконку поворота модель оказывается внутри системы плоскостей (рисунок
263). Захватывая плоскость ZY, вращаем держатель на 1800 и на 900 по XY. В целом,
можно сказать, что работа данной функции во многом аналогична «Гизмо поворота» в
AutoCAD.
Повторно установим поддержки и кайму и проверим результат в разделе
визуализации (рисунок 264).
123
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 263 – Изменение положения модели (cura21. png)
Рисунок 264 – Модель с уменьшенным количеством поддержек (cura22. png)
Из рисунка 264 следует, что структуры теперь размещены только внутри модели.
Однако, внесенные ранее в геометрию модели изменения были направлены на то, чтобы
полностью отказаться от использования структур (рисунок 265), поэтому в «Тип
поддержки» оставляем «Нет». Одновременно уменьшается на 24 минуты и общее время
печати.
Рисунок 265 – Симуляция печати без поддержек (cura23. png)
124
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Перед отправкой модели на печать установим необходимые параметры. Их значения
представлены на рисунке 266 и получены опытным путем. Скорость печати и всех
перемещений назначаем одинаковой. После ввода всех значений, в области появится
окончательное общее время печати и расход пластика в метрах и граммах.
Рисунок 266 – Настройки печати держателя (cura24. png)
Подготовка к печати заканчивается отправкой УП в принтер при помощи иконки
«Печатать с USB» или функции «Печать» во вкладке «Файл» (рисунок 267). Однако в
случае отключения COM-порта появится значок SD-карты, через который на карту
сохраняется сгенерированный g-код со всеми настройками. G-код можно также сохранить
через функцию «Сохранить G-код». Если соединение с принтером настроено верно, как
было показано ранее (см. рисунок 250), то откроется окно «Печать COM…» (рисунок
268). Активируется клавиша «Печатать», которую необходимо нажать, подтверждая
запуск. По мере выполнения печати, в окне заполняется нижняя шкала (рисунок 268).
Рисунок 267 – Варианты печати через USB-порт или с SD-карты (cura25. png)
Рисунок 268 – Окно запуска печати через USB (cura26. png)
125
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.8.1 Рекомендации по подбору параметров печати для различных типов деталей
Каждый пользователь FDM/FFF-принтеров сталкивается с необходимостью печати
деталей с различными габаритными размерами и требованиями к качеству поверхностей.
Так не представляется возможным использовать только одни значения параметров печати,
а необходимые подбираются под каждую деталь индивидуально. Параметры температуры,
приведенные на рисунке 269, оказывает непосредственное влияние на результат, но
другие, также не малозначимые – это «Диаметр выходного отверстия сопла», «Высота
слоя», «Скорость печати» (рисунки 270, 271). Обязательно учитывать и величину усадки
используемого материала печати.
В основном, по требованию к качеству изготовления, модели можно разделить на
две категории:
•
повышенной точности печати. К ним относятся детали относительно малых размеров
(до 30х30х30 мм) и имеющие большое количество выступающих элементов,
например, зубчатые колеса, корпуса микроэлектроники. Также в эту категорию
входят мастер-модели для снятия форм, которые не подразумевают постобработку.
Данный тип деталей целесообразно печатать из ABS, Nylon, Полиамида, по причине
лучшего воспроизведения ими малых элементов, по сравнению с PLA или PET-G.
Так используется сопло экструдера с диаметром отверстия 0.2-0.3 мм, а в слайсере
устанавливается отвод головки с обдувом, как было показано ранее. Высота слоя
выбирается ~ 0.07-0.1 мм. Зубчатые колеса и детали, подвергаемые нагрузке,
рекомендуется печать с заполнением в 100%. Другие параметры подобраны
опытным путем (рисунок 270);
•
детали с габаритами более 50х50х50 мм, выполняющие декоративную, крепежную
или защитную функции, и к которым можно отнести различные кронштейны,
пластины и корпуса приборов. Подобные изделия могут подвергаться постобработке,
что допускает большую шероховатость поверхности, но меньшее время печати.
Сопло подбирается с диаметром отверстия 0.4-0.8 мм, высота слоя в пределах 0.150.2 мм (рисунок 271), а процент заполнения устанавливается в зависимости от
требований к прочности.
Рисунок 269 – Рекомендованные параметры печати под разные виды филаментов
(материалы. png)
126
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 270 – Параметры печати в слайсере Cura 15.04.6 для деталей повышенной
точности изготовления (категория деталей1. png)
Рисунок 271 – Параметры печати для корпусов и пластинчатых деталей (категория
деталей2. png)
Важно отметить, что указанные примеры по настройке печати не являются
универсальными для абсолютно всех видов деталей и пластиков от различных
производителей, но могут быть использованы в качестве ориентира при выполнении
предпечатной подготовки.
127
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
4.9 Повторная печать подготовленной детали на принтере Anycubic i3 Mega
Повторная печать аналогично выполнена из PLA на принтере Anycubic i3 Mega с
покрытием стола Ultrabase. Общий вид принтера изображен на рисунке 272. Настройки
идентичны приведенным на рисунке 173, за исключением температуры печати – она была
понижена до 2150С. В экструдер установлено сопло с диаметром отверстия 0.4 мм.
После окончания процесса печати снимаем деталь со стола, вручную удаляя кайму,
места соприкосновения с основанием детали зачищаем надфилем или наждачной бумагой.
В крепежном отверстии нарезается резьба. Готовая деталь изображена на рисунке 273.
Рисунок 272 – Общий вид принтера Anycubic i3 Mega (эникубик. png)
Рисунок 273 – Сравнение варианта с дефектами с новой деталью (сравнение деталей. png)
4.9.1 Печать на принтере Ultimaker 2+
Для сравнения качества печати изготовление держателя было также проведено на
3D-принтере Ultimaker 2+. Отличие кинематики данного принтера от Anycubic i3 Mega и
MZ3d-256 заключается в том, что направляющие для перемещения печатающей головки
по осям Х и У объединены в систему, неподвижную относительно основания, а движение
стола производится только по оси Z. Данная схема направлена на снижение вибраций при
печати, что повышает точность ее выполнения.
Также сравнивая принтеры Anycubic i3 и Ultimaker c MZ3d-265, отметим различные
системы подачи пластика – Bowden у первых двух и Direct у MZ3d (рисунок 274) [89]. В
случае с Bowden, подающий филамент мотор и прижим расположены на раме принтера, а
не на головке, что облегчает ее и снижает вибрации при перемещении. К недостаткам
такой конструкции можно отнести более слабую подачу пластика в экструдер.
Общий вид принтера представлен на рисунке 275. В качестве филамента использован
PLA от REC. Предпечатные настройки идентичны представленным ранее на рисунке 173.
Готовая деталь изображена на рисунке 276.
128
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 274 – Системы подачи Bowden и Direct (боуден и директ. png) [89]
Рисунок 275 – Общий вид принтера Ultimaker 2+ (принтер1. png)
Рисунок 276 – Готовая деталь (новая деталь2. png)
Как отмечено на рисунке 276 синим цветом, несмотря на использование в принтере
более жесткой системы направляющих и облегченной печатающей головки, результат
печати не лишен дефектов. К ним можно отнести появление капель пластика на ножке
оплавление пластика в отверстиях под крепеж. Данная проблема обусловлена системой
охлаждения пластика, состоящей из двух кулеров, установленных по обеим сторонам
экструдера на разном расстоянии. Поэтому поток воздуха распределяется неравномерно.
Положение кулеров не регулируется, так как головка рассчитана под два экструдера
(рисунок 277).
Выполнив печать на разных моделях принтеров, можно сделать вывод о том, что
задачей конструктора на этапе изготовления становится выбор и работа с оборудованием,
исходя из собственного опыта печати на конкретном принтере определенной ценовой
категории, а также с учетом требований заказчика.
129
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 277 – Место крепления экструдера 2 в Ultimaker 2+ (крепление. png)
Выводы по Главе 4
В рамках работы в Главе 4 освоен процесс ОИ. Он применен к сломанной детали от
изделия повседневного использования, с оценкой результатов предыдущих попыток
ремонта и обзором работ, выполняемых другими центрами печати. Описаны решения для
воссоздания модели детали в САПР, конвертации в формат .stl в различных системах,
предпечатной подготовке. Также в работе проведен обзор модулей 3D-печати в САПР:
Autodesk Inventor Professional 2017, Fusion 360 и встраиваемого Autodesk Print Studio.
Однако в ходе исследования, данные системы не зарекомендовали себя, как емкая замена
слайсеру, в особенности, из-за ограниченного набора настроек печати или полного их
отсутствия.
Другая сторона подготовки к печати включила в себя повышение качества цифровой
модели с промежуточной оценкой в ПО быстрого просмотра .stl-файлов. В дополнение
модель была подвергнута проверке на замкнутость и «отремонтирована» средствами
Autodesk NetFabb 2019 перед загрузкой в слайсер Cura 15.04.6, в котором установлены
предпечатные настройки и получена УП 3D-принтера. Отдельно приведены рекомендации
по настройкам для разных типов печатаемых деталей.
В заключение процесса ОИ деталь была изготовлена на моделях принтеров с разной
компоновкой – Anycubic i3 Mega и Ultimaker 2+. Отмечены конструктивные особенности
оборудования, приведено сравнение полученных результатов печати.
130
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Глава 5 Конструкторско-технологическая подготовка производства с учетом
специфики предприятия ОАО «Ярославский Электромашиностроительный Завод»
(ОАО «ЭЛДИН»)
•
•
•
•
В данной главе работа выполнялась в соответствии с этапами:
на предприятии выбрать мастер-модель для получения песчано-глинистых форм;
спроектировать модель в САПР. Выполнить ее предпечатную подготовку в модулях
и слайсере, согласно методике, описанной ранее в Главе 4;
печать модели-образца на FDM/FFF 3D-принтере. Апробация образца в условиях
литейного производства ОАО «ЭЛДИН», описание полученных результатов;
вывод.
5.1 Исходные данные
В качестве исходной детали была выбрана модель низа крышки подшипника
Н180.571691.091 (рисунок 278) двигателя АЖ180 и монтируемая на модельной плите,
изображенной на рисунке 279. Документация предоставлена организацией прохождения
преддипломной практики – ОАО «ЭЛДИН».
Рисунок 278 – Чертеж низа крышки подшипника (чертеж1. png)
Рисунок 279 – Монтаж модели крышки подшипника на модельной плите (чертеж2. png)
131
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
5.2 Цифровая подготовка производственной модели к 3D-печати
Дальнейшие этапы работы, связанные с подготовкой модели к печати, выполнялись
в соответствии с методикой, описанной в Главе 4. Некоторые из этапов представлены на
рисунках 280-284.
Рисунок 280 – Создание .stl-файла 3D-модели (Деталь для Элдина. stl)
Рисунок 281 – Просмотр полигональности в 3D Builder и STL View (элдин1. png)
Рисунок 282 – Увеличение количества полигонов (элдин2. png)
Рисунок 283 – Файл загружен и успешно проверен в Netfabb (элдин3. png)
132
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Рисунок 284 – Выбор положения модели и просмотр слоев (элдин5. png)
5.3 Печать тестирующих образцов, монтаж образца на оснастке, получение
литейных форм и готовой отливки
Для реализации подготовленной модели, в работе повторно был использован FDM
3D-принтер Anycubic i3 Mega. Процесс печати образца из PLA изображен на рисунке 285.
Всего было напечатано два тестирующих образца из PLA blue и silver.
Рисунок 285 – Печать образца из PLA silver (элдин6. png)
Следующий этап исследования применения FDM-печати в условиях производства –
это получение литейной формы по напечатанной модели-образцу. Так образец из PLA
blue был смонтирован на плите наряду с остальными элементами оснастки (рисунок 286),
которые были изображены на чертеже (см. рисунок 279). Образец закреплен винтами и
зафиксирован штифтом от поворота. Исходная модель представлена на рисунке 287.
Рисунок 286 – Образец из PLA blue, смонтированный на оснастке (элдин7. png)
Рисунок 287 – Исходная модель из стали Ст.3 ГОСТ 380-05 (элдин8. png)
133
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Модельный комплект (МК) устанавливается в пресс для уплотнения формовочной
смеси (рисунок 288). Пресс находится в составе автоматизированной формовочной линии.
Перед началом работы производится механизированный подвод опоки и ее заполнение
смесью с удалением излишков. Полуформы, извлеченные из пресса, представлены на
рисунке 289.
В связи с тем, что выступающая часть образца была напечатана поверх поддержек,
ее нижняя поверхность имеет дефекты, которые препятствовали плотному прилеганию к
плите (рисунок 290). Таким образом, в зазоре, отмеченном красным цветом, скапливалась
смесь, что привело к частичному обрыву кромок на некоторых формах (рисунок 291).
Предлагается дополнительная механообработка образца перед его монтажом.
Рисунок 288 – Установка МК в пресс и подвод формовочной смеси (элдин9. png)
Рисунок 289 – Песчано-глинистые полуформы, извлеченные из пресса (элдин10. png)
Рисунок 290 – Попадание смеси в зазор между образцом и плитой (элдин11. png)
Рисунок 291 – Дефекты кромок полуформ (элдин12. png)
134
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Отливка (рисунок 292), полученная в собранных формах, покрывается защитным
слоем грунта, и после сушки подвергается механообработке (рисунок 293). Обработанная
деталь смонтирована в корпусе двигателя АЖ180 (рисунок 293, справа).
Рисунок 292 – Отливка крышки, покрытая нитрогрунтом (элдин13. png)
Рисунок 293 – Готовая крышка в сборке с корпусом двигателя АЖ180 (элдин14. png)
Выводы по Главе 5
В данной главе было исследовано практическое применение FDM-печати в условиях
электромашиностроительного производства. Работа выполнялась в несколько этапов:
конструкторская и цифровая подготовка 3D-модели исходной детали, предоставленной
организацией прохождения практики. При подготовке использована методика из Главы 4.
Второй этап заключался в печати образцов из PLA по подготовленному .stl-файлу, их
постобработке и монтажу на модельной плите, дальнейшей отправке на формовочную
линию для изготовления песчано-глинистых форм. Получены результаты относительно
успешного использования напечатанного образца в качестве мастер-модели, однако
установлена необходимость ее предварительной механообработки для плотной фиксации
на модельной плите.
135
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Заключение
По итогу выполнения данной работы, справедливо сказать, что ранее поставленная
задача по исследованию методов повышения качества печати на FDM/FFF мини- и микропринтерах, решена.
Решение достигалось путем проведения исследований в параллельных направлениях
предпечатной подготовки в аддитивном производстве – это модернизация и наладка 3Dпринтера, и работа, непосредственно, с самим .stl-файлом.
Так, в Обзоре источников были собраны и классифицированы средства повышения
адгезии рабочих столов FDM/ FFF 3D-принтеров (пленочные покрытия, гибкие съемные и
магнитные пластины, жесткие плиты), а также варианты от пользователей. Большинство
из первых применяются производителями 3D-принтеров, но обладают и недостатками,
ограничивающими их использование в портативных моделях только с PLA-филаментами,
из-за отсутствия подогрева стола и термокамеры/кожуха, ввиду упрощения конструкции.
В Главах 2, 3 на основе результатов Обзора осуществлен поиск материалов новой
адгезионной пластины – литьевых пластиков серии LasilCast, для печати деталей из ABS и
PLA без подогрева стола и кожуха на мини-принтерах. Образец, полученный из LC 2 был
успешно апробирован печатью и лег в основу разработки быстросъемных устройств.
Для изготовления пластин устройств на ЧПУ-станке потребовалось освоить системы
Autodesk ArtCAM и Artsoft Mach3Mill. Также отрабатывались, как технологии получения
заготовок пластин (в том числе, армированных изнутри) в силиконовой оснастке, так и
выбор конкретного полиуретана из серии LasilCast. Например, заготовка из LasilCast 1515
деформировалась в процессе обработки, в противоположность заготовке из LC 2.
В целом одно из устройств было собрано, а удовлетворительные результаты печати
деталей из ABS и PLA не нем зафиксированы и опубликованы в материалах конференций
ЯГТУ и «Гагаринские чтения» в 2018-2019 г.
Цифровая подготовка модели к печати включила в себя описание конвертации файла
в .stl-формат в САПР (AutoCAD, SketchUp, и т.д.), быструю оценку его полигональности в
ПО STL View и 3D Builder, а также повышение полигональности после возврата в САПР.
В дальнейшем, .stl-файл проверялся на незамкнутость поверхностей и «ремонтировался»
инструментами доступной системы Autodesk Netfabb и онлайн-ресурса Microsoft 3D Tools
Repair. В процессе «ремонта» установлено, что Netfabb более является эффективным, так
как позволяет обрабатывать крупные файлы и обладает необходимым набором функций
для редактирования.
Также в цифровой подготовке было обращено внимание на внутренний модуль для
подготовки к 3D-печати в САПР Inventor Professional и внешний – Autodesk Print Studio.
Однако Print Studio не зарекомендовал себя как емкая замена слайсеру, из-за нацеленности
на «брендовое» оборудование, и, в основном на SLA- и DLP-принтеры. Другой недостаток
модуля – это небольшое количество основных функций, не позволяющих в полной мере
настроить параметры печати, кроме добавления древовидных поддержек и ориентации на
столе, плюс функция неполного ремонта незамкнутостей.
Последним этапом предпечатной подготовки файла стала его загрузка в слайсер Cura
15.04.6, находящийся в открытом доступе, выбор набора настроек параметров печати и их
ручной ввод. На основе этого этапа были составлены и опубликованы Методические
указания кафедры КИ ТМС для студентов и магистрантов направлений 15.03.05-15.04.05.
В завершение работы, составленная методика подготовки .stl-файлов была успешно
применена при печати образца модели для литейного производства ОАО «ЭЛДИН», в
рамках прохождения практики производственной преддипломной. По образцу получены
песчано-глинистые полуформы, в них отлита заготовка, устанавливаемая после обработки
в электродвигатель АЖ180. В нестоящий момент с предприятием ведется сотрудничество
по дальнейшему внедрению FDM-печати в литейном производстве.
136
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Список использованных источников
1. Белоусов А.В., Храпов С.С., Тен А.В., Садчиков Н.В., Болдырева Ю.А. Параллельный
FDM-принтер. Вестник Волгогр. гос. ун-та. Сер. 1, Мат. Физ. 2016. № 4 (35). С.117,
118.
2. Simplify 3D Print Quality Troubleshooting Guide – Print Not Sticking to the Bed
[Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.simplify3d.com/support/print-qualitytroubleshooting/#print-not-sticking-to-the-bed.
3. ABS пластик для 3D-печати [Электронный ресурс] Режим доступа: http://3d-week.ru/absplastik-dlya-3d-pechati-akrilonitrilbutadienstirol/.
4. 3D Prints Warping or Curling? – Why It Happens and How to Prevent It [Электронный
ресурс] Режим доступа: https://rigid.ink/blogs/news/3d-prints-warping-why-it-happensand-how-to-prevent-it.
5. How to Stop Filament Warping in 3D Printed Parts [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.matterhackers.com/news/-how-to-stop-filament-warping-in-3d-printed-parts.
6. What is FDM Technology? [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.stratasys.com/fdm-technology.
7. Модернизация подогрева стола на Anet A6 [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/blogs/vmkruzer/modernization-of-the-heating-table-a6-anet/.
8. Go-дзиллу в каждый дом [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/blogs/dagov/gozilla-in-every-house-or-promise-not-to-marry/.
9. 3D printer test – The Micro 3D printer M3D – Test print PLA spring & gear assembly
[Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=gNR9eQ3Pf6M.
10. Failed M3D Micro ABS Print [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=fETA78LnqTU.
11. Reusable Acrylic 3D Printing Baseplate [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.instructables.com/id/Reusable-Acrylic-3D-Printing-Baseplate/.
12. 3D Printing ABS Filament Using Perfboard Workaround [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://3dprinting-blog.com/156-3d-printing-abs-filament-using-perfboard-workaround/.
13. Perfboard Build Surface [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.thingiverse.com/thing:5428.
14. Пути повышения адгезии нижнего слоя в настольной FDM-печати [Электронный
ресурс] Режим доступа: http://3dtoday.ru/blogs/3dfirst/ways-to-improve-the-adhesion-ofthe-lower-layer-in-the-table-of-fdm-pr/.
15. Cоветы по повышению адгезии. Лак для 3D-печати [Электронный ресурс] Режим
доступа: http://3dwiki.ru/covety-po-povysheniyu-adgezii-lak-dlya-volos-v-3d-pechati/.
16. Способы повышения адгезии (сцепления) платформы 3d принтера с начальным слоем
распечатываемой 3d модели [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://getfab.ru/post/527/.
17. Simply Reuse Stratasys Build Trays [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.instructables.com/id/Simply-Reuse-Stratasys-Build-Trays/.
18. Метод 3D печати на клее БФ2 [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://musbench.com/3d/bf2_print.html.
19. Еще раз про БФ-2: АБС отрывается от стола [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/questions/eshche-raz-pro-bf2-abs-otryvaetsya-ot-stola/.
20. Replacing Printing Surface on Monoprice Maker Select (Wanhao Duplicator i3)
[Электронный ресурс] Режим доступа: https://newscrewdriver.com/2018/06/26/replacingprinting-surface-on-monoprice-maker-select-wanhao-duplicator-i3/.
21. Ideal Jacobs Corporation Official Website – buy BuildTak [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://www.idealjacobs.com/.
137
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
22. BuildTak Review – The Ideal 3D Printing Surface? [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dprintingforbeginners.com/buildtak-review/.
23. Are commercial build surfaces worth it? [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=40okpkoYKnI&t=608s&list=LL6utAYsOxcJvLEt8hZ54
TLw&index=11.
24. Лучшие способы удержания модели во время 3Д печати [Электронный ресурс] Режим
доступа: http://unique3d.ru/the-best-ways-of-holding-product-3d-printing/.
25. Методы борьбы с отлипанием модели от стола [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/blogs/rec/methods-of-dealing-with-otlipanie-models-from-the-table/.
26. Automatic Infinite 3D Printing: Democratize Manufacturing – Conveyor Belt 3D Printer
[Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=E_RvnqVHbnA.
27. US8668859B Automated 3D build processes – US Patent [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://patents.google.com/patent/US8668859B2/en.
28. PEI Sheet as a 3D Printer Print Bed Sheet – A Guide [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://all3dp.com/2/pei-sheet-as-a-3d-printer-print-bed-sheet-a-guide/.
29. PEI – какая-то ерунда [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/blogs/artemkuchin/pei-nonsense/.
30. Kickstarter – LokBuild: 3D Print Build Surface [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.kickstarter.com/projects/steelmans/lokbuild-3d-print-build-surface.
31. RepRap forum – LokBuild First impressions [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://reprap.org/forum/read.php?1,768756,769680.
32. Part cooling duct for Anycubic i3 Mega Ultrabase [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://www.anycubic3d.com/model/show/1246.html.
33. Обзор 3D принтера MakerBot Replicator+ [Электронный ресурс] Режим доступа:
http://3dtoday.ru/blogs/3dtool/review-3d-printer-makerbot-replicator/.
34. Useful new carbon print bed plate by German RepRap [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://3dprintingindustry.com/news/useful-new-carbon-print-bed-plate-germanreprap-23690/.
35. Review of the Ultimaker Original Heated Bed Upgrade Kit [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://3dprintingforbeginners.com/ultimaker-original-heated-bed-upgrade/.
36. Карбоновый стол печать на карбоне вместо стекла [Электронный ресурс] Режим
доступа: http://3dtoday.ru/questions/karbonovyy-stol-pechat-na-karbone-vmesto-stekla12/.
37. Heated bed with carbon fibre plate? [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://community.ultimaker.com/topic/2670-heated-bed-with-carbon-fibre-plate/.
38. MAMORUBOT Print Surface for the Tevo Tornado - 3D Printer [Электронный ресурс]
Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=WSV34xAEiPc.
39. 3D Print SURFACES Comparison - Tests and Results [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://www.youtube.com/watch?v=fRTzERF59E8&t=570s.
40. Review - Mamorubot 3D Printer Build Plate [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=xYkkdJ1Z-cg&t=103s.
41. Adding PrintBite+ Build Surface to a Wanhao I3 Plus Mk2 [Электронный ресурс] Режим
доступа: https://www.instructables.com/id/Adding-PrintBite-Build-Surface-to-a-Wanhao-I3Plus/.
42. PRINTBITE+ [Электронный ресурс] Режим доступа: https://flex3drive.com/printbite/.
43. FilaFarm Official Site – Buy FilaPrint sheet [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.filafarm.de/collections/druckbetten/products/druckplatte-fur-abs-und-pla.
44. 3D Printer CTC makes Amiga 600 Trapdoor slot - Filaprint plate [Электронный ресурс]
Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=lvAu44umEbo.
45. CTC Filaprint 3D Druck Drohne [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=sDiOZG1hUF0.
138
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
46. PRINTinZ introduces new flexible 'Zebra Plate' 3D printing adhesion system for FDM 3D
printers [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.3ders.org/articles/20150711printinz-introduces-new-flexible-zebra-plate-3d-printing-adhesion-system.html.
47. Компания PRINTinZ выпустила новую гибкую пластину для 3D-печати Zebra Plate
[Электронный ресурс] Режим доступа: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/thecompany-printinz-has-released-a-new-flexible-plate-for-3d-printing/.
48. PRINTinZ Plate - How to remove a stuck print [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=ECcasNza1Oo.
49. Подводные камни 3D-печати: всем ли нужен такой принтер [Электронный ресурс]
Режим доступа: https://habr.com/ru/company/mvideo/blog/405897/.
50. 3D-печать крышки-заглушки из PLA пластика [Электронный ресурс] Режим доступа:
https://petr-m.com/2016/12/14/3dprint-saglushka-pla-plastic/.
51. Елисейкин Е.И. Разработка специального адгезивного покрытия рабочего стола FDM
3D-принтера для повышения качества печати изделий (тезисы) // Г12 Гагаринские
чтения – 2018: XLIV Международная молодёжная научная конференция: Сборник
тезисов докладов: М.; Московский авиационный институт (национальный
исследовательский университет), 2018. Том 3. С. 173-174.
52. ABS пластик REC 1.75мм синий [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://rec3d.ru/shop/plastik-dlya-3d-printerov/abs/abs-plastik-rec-1-75mm-sinij/.
53. Ученые Ярославского технического университета предложили новый метод
повышения адгезии (прочности прилегания) изделия на рабочем столе 3D-принтера
[Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.ystu.ru/news/details/2015/.
54. Области применения двухкомпонентного полиуретана [Электронный ресурс]. Режим
доступа: https://polimerinfo.com/poliuretan/dvuhkomponentnyj-poliuretan.html.
55. Литьевые пластики полиуретановые [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://lassospb.ru/products/category/plastik-jidkii-poliuretan-kupit.
56. Области применения стереолитографических прототипов [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://mlbp.narod.ru/uses5.htm.
57. Елисейкин Е.И., Калачев О.Н. Исследование применения силиконовых компаундов и
FDM 3D-печати в литейном производстве (тезисы) // С30 Семьдесят первая
всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и
аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 18 апреля 2018 г.,
Ярославль: сб. материалов конф. В. 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. – Ярославль:
Издат. дом ЯГТУ, 2018. – 1189 с. С 159-163.
58. Силиконовые
резины
жидкие
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа:
https://lassospb.ru/products/category/silikon-jidkyi-rezina-dlya-form.
59. Станок ЧПУ Aman 3040 4axis 800W [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://3dtool.ru/product/cnc-aman-3040-4axis-800w/.
60. Технические характеристики 3D-принтера MZ3d-256 [Электронный ресурс]. Режим
доступа: http://www.printfuture.ru/shop/3d-printers/3d-printer-mz3d-256/.
61. БЫСТРОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 3D-ПРИНТЕРА MZ3D256 / Сост.: О.Н.Калачев., Е.И.Елисейкин – Ярославль: Издат. дом ЯГТУ, 2019. – 29 с.
62. Скачать ПО Cura 15.4.6 RU от МЗТО [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://mz3d.ru/support/software/.
63. Download printable turbo impeller [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.thingiverse.com/thing:398841.
64. Download CCNC V2.40 Laseraxe for laser engraving machines [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://endurancerobots.com/download-center-lasers/.
65. Елисейкин Е.И. Повышение адгезии рабочего стола FDM/FFF 3D-принтера с
применением быстросъемного устройства на основе полиуретановых композиций и
139
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
вакуумной фиксации (тезисы) // Г12 «Гагаринские чтения – 2019»: Сборник тезисов
докладов. – М.: МАИ, 2019. – 1345 с. С. 778-779.
66. Елисейкин Е.И., Крыцков А.В., Калачев О.Н. Особенности технологической подготовки
FDM/FFF 3D-принтера в Быстром Прототипировании (тезисы) // С30 Семьдесят вторая
всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и
аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 24 апреля 2019 г.,
Ярославль: сб. материалов конф. В. 3 ч. Ч. 2 [Электронный ресурс]. – Ярославль: Издво ЯГТУ, 2019. – 1144 с. С 232-235.
67. Водин Д.В. Применение технологии обратного инжиниринга в машиностроении
(тезисы)// Сборник материалов IV Международной научной конференции
«Технические науки: проблемы и перспективы» (г. Санкт-Петербург, июль 2016 г.). –
СПб.: Свое издательство, 2016. – vi, 134 с. С.67.
68. 3D ПЕЧАТЬ. Ремонт мясорубки West. 3d-печать шестерен [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=DknDdPeEfG8&t=528s.
69. 3D печать лотка сим карты от iPhone 5S [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=nLiz5zrEMAs&t=255s.
70. 3D печать от Техно 3D [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://vk.com/album102933233_226196926.
71. Подовжний С.Ю., Калачев О.Н. Методическое освоение быстрого прототипирования в
учебном процессе кафедры КИ ТМС ЯГТУ (тезисы)// Сборник материалов Юбилейной
семидесятой всероссийской научно-технической конференции студентов,
магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием
«Научно-технические и инженерные разработки – основа решения современных
экологических проблем». 19 апреля 2017 г., Ярославль: сб. материалов конф. В. 3 ч. Ч.
2. – Ярославль : Издат. дом ЯГТУ, 2017. – 791 с. С. 86.
72. Подовжний С.Ю. Выпускная Квалификационная Работа бакалавра. ЯГТУ, 2017. С 5052.
73. Официальный сайт компании Autodesk [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.autodesk.com/.
74. Елисейкин Е.И., Калачев О.Н. Влияние особенностей подготовки цифровой модели на
качество поверхностей изделия в FDM 3D-печати (тезисы)// Сборник материалов
«Актуальные проблемы автоматизации и энергосбережения в ТЭК России»
Всероссийского с международным участием научно-практического семинара
(Нижневартовск, 6 апреля 2018 года) / отв. ред. А.Ю. Ковалев. Нижневартовск: Изд-во
Нижневарт. гос. ун-та, 2018. – 186 с. С. 120.
75. SketchUp Pro скачать бесплатно на русском [Электронный ресурс]. Режим
доступа: https://gsketchup.ru/.
76. Import and Export STL files for 3D printing [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://extensions.sketchup.com/sv/content/sketchup-stl.
77. Описание CAD/CAM-системы CimatronE [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://planetacam.ru/choice/cimatrone/.
78. Download Autodesk Print Studio [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://spark.autodesk.com.
79. 3D Print Preview with Autodesk Print Studio [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.youtube.com/watch?v=w_JjoXo-eEk.
80. Как уменьшить размер .stl и .obj файлов 3D Модели. Что из себя представляют .stl и
.obj файлы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://getfab.ru/post/556/.
81. Скачать 3D Builder в Microsoft Store [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.microsoft.com/ru-ru/p/3d-builder/9wzdncrfj3t6?activetab=pivot:overviewtab.
82. Приложение 3D Builder в Windows 10 [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://windows10i.ru/programmy-i-prilozheniya/3d-builder-windows-10-chto-eto.html/.
140
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
83. STLView – A Free STL Viewer [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.freestlview.com/.
84. Как быстро исправить ошибки в STL-модели при помощи Meshlab и NetFabb
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://3dpechataem.ru/3d-pechat-online/3duroki/stl-file-quck-fix.html.
85. Microsoft STL Repair tool [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://tools3d.azurewebsites.net/.
86. Слайсер CURA – настройки [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://3dm.ru/slajser-cura-nastrojki/.
87. Ultimaker Cura Software [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-cura-software.
88. Anycubic I3 MEGA 3D printer user manual in English [Электронный ресурс]. Режим
доступа: https://www.gearbest.com/blog/download/anycubic-i3-mega-3d-printer-usermanual-in-english-2308. С. 25.
89. Bowden-vs-Direct-Feed-Extruder [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://www.fargo3dprinting.com/advantages-disadvantages-direct-bowdenextrusion/bowden-vs-direct-feed-extruder/.
141
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(Отчет о проверке на плагиат)
142
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
143
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(Таблица созданных файлов)
144
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Таблица созданных файлов ВКР
Имя и формат созданного файла
Изображение
Схема стола.dwg
Матрица.dwg
Схема стола1.dwg
Схема стола2.dwg
Держатель.dwg
145
Елисейкин Е.И. гр. МСФ-20м Выпускная квалификационная работа магистранта
03.06.2019 10:00.pdf
Для отливки1.stl
Для отливки2.stl
Для отливки3.stl
Пластины на обработку1.stl
Пластины на обработку2.stl
146