Особенности разработки и применения FDM-технологии при создании и прототипировании 3D-объектов

Образовательные ресурсы и лучшая практика ИТ-образования

Игонина Е.В.1, Дружинина О.В.2

1Елецкий[ государственный! университет им. И.А. Бунина, г. Елец, Россия 2Федеральныи исследовательский центр «Информатика и управление» РАН, г. Москва, Россия

ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ FDM-ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СОЗДАНИИ И

ПРОТОТИПИРОВАНИИ 3D-ОБЪЕКТОВ

В статье дан сравнительный анализ аддитивных технологий, используемых при прототипировании 3D-объектов, и охарактеризованы особенности FDM-технологии. Описаны параметры 3D-принтера, использующего FDM-технологию, а также предложены варианты его модификации. Обозначены перспективы применения полученных результатов по совершенствованию процесса 3D-печати и разработанных предложений по моделированию технических систем в учебных курсах для студентов и аспирантов ^-специальностей.

Аддитивные технологии; FDM-технология; прототипирование, трехмерная печать, моделирование технических систем, использование FDM-технологий в образовательном процессе.

Igonina E.V.1, Druzhinina O.V.2

JBunin Yelets State University, Yelets, Russia 2Federal Research Center Computer Science and Control of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

PARTICULAR QUALITIES OF THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FDM-TECHNOLOGY FOR CREATING AND PROTOTYPING 3D-OBJECTS

The article gives comparative analysis of additive technologies used in prototyping 3D-objects, and features of the FDM-technology are characterized. The parameters of the 3D printer using FDM-technology are described, and also variants of its modification are offered. The prospects for applying the obtained results to improve the process of 3D-printing and developed proposals for the modeling of technical systems in training courses for students and postgraduates of IT-specialties are indicated.

Àdditive technologies; FDM-technology; prototyping; three-dimensional printing; modeling of technical systems; use of FDM-technologies in the educational process.

Разработка и применение аддитивных технологии создания и прототипирования трехмерных объектов и единичных изделии различного уровня сложности из широкого спектра материалов является интенсивно развивающимся направлением. В настоящее время

инновационные технологии 3D-печати активно востребованы в различных областях деятельности, таких как машиностроение, архитектура, медицина, искусство, сфера дизайна, пищевое производство, а также имеют значительные перспективы применения в науке и образовании [1-4]. Благодаря своим особенностям и весомому

потенциалу, они постепенно внедряются в образовательный процесс учебных заведении всех уровней образования. Находясь под пристальным вниманием многих педагогов-исследователей и педагогов-практиков [1-12], указанные

технологии рассматриваются не только в качестве предмета изучения, но и как движущий фактор в появлении новых форм обучения, исследовательских методик, как один из приемов повышения уровня мотивации обучающихся, как способ развития новых компетенции учащихся и преподавателей

На сегодняшний день имеют место проекты по обеспечению средних образовательных технических учреждении и школ устройствами 3D-печати [5], постепенно разрабатываются методики обучения с помощью применения аддитивных технологии [6]. В [7] дано описание использования персональных печатающих устройств в 5-7 классах. Однако более широкое и эффективное применение технологии быстрого

прототипирования могут наити в образовательном процессе ВУЗов, где учебная деятельность находится в теснои взаимосвязи с исследовательской [8-12].

Основные этапы внедрения технологии быстрого прототипирования в учебньш процесс ВУЗа представлены в [9]. Рассмотрены технологические процессы и материалы, которые могут применяться в зависимости от поставленных задач, а также перечислены возможные сферы применения технологии в различных направлениях подготовки, предложены методики развития необходимых компетенции и организации работы с оборудованием для преподавателей которые предполагают разрабатывать свои учебные материалы. В [6] даются рекомендации по выбору аппарата прототипирования для его использования в образовательном процессе, описываются методические и педагогические аспекты применения даннои технологии на примере изучения дисциплины «Детали машин» на факультете технологии и предпринимательства Новосибирского государственного

педагогического университета. В [10] показаны особенности применения технологии 3D-печати в рамках изучения учебнои дисциплины «Инженерная графика» в Новоуренгоиском техникуме газовои промышленности. В [11] отмечается целесообразность использования 3D-печати на разных этапах обучения как одна из возможностеи технологической реализации повышения эффективности учебного процесса при геометро-графическои подготовке специалистов. Необходимость внедрения CAD-технологиИ и 3D-печати в учебныи план подготовки инженеров отмечена в [12].

В [2, 6] показано, что внедрение технологии 3D-

моделирования и 3D-прототипирования в образовательный процесс способствует более эффективному формированию уровня

профессиональной подготовки, чем изучение графических и технических дисциплин по традиционной методике.

Целью настоящей статьи является проведение сравнительного анализа работ по созданию 3D-принтера на основе FDM-технологии, разработка предложении по совершенствованию процесса 3D-печати и по моделированию технических систем с применением

FDM-технологии, а также анализ применимости модификации разработанного 3D-принтера в научно-исследовательском и в учебном процессах университета. Для выполнения поставленной цели авторами рассматривается вопрос об особенностях изучения и использования аддитивных технологии в рамках исследовательской деятельности научного студенческого общества (НСО) «Моделирование технических систем» и в учебных курсах IT-направлении кафедры математического моделирования и компьютерных технологии ЕГУ им. И.А. Бунина.

Краткий обзор и характеристика основных видов аддитивных технологий

Аддитивные технологии (от англ. аdd -"добавлять") представляют собои процесс постепенного создания (выращивания) изделия путем присоединения, наплавления материала слои за слоем. Они являются противоположностью классическому способу производства -субтрактивному (от англ. subtraction -"изымать"), в ходе которого изделие изготавливается за счет постепенного отъема материала (путем фрезерования, штамповки, резки и т.д.). Начало промышленному использованию аддитивных технологии 3D-печати было положено в 1986 году Ч. Халлом - основателем компании 3D Systems. За этот период технологии шагнули от быстрого прототипирования до практически конвейерного производства готовых изделии, причем процесс совершенствования аддитивных технологии сопровождался развитием семи их видов [13].

Приведем краткую характеристику основных видов аддитивных технологии создания 3D-объекта.

1. Стереолитография (Stereo Lithography Apparatus, SLA-технология) получила наибольшее распространении среди технологии 3D-печати благодаря низкои себестоимости готовых изделии. SLA-технология состоит в следующем: сканирующая система направляет на фотополимер лазерньш луч, под действием которого материал твердеет. В качестве фотополимера используется хрупкий и твердыи полупрозрачный материал, которыи коробится под действием

атмосферной! влаги. Материал легко склеивается, обрабатывается и

окрашивается. РабочиИ стол находится в емкости с фотополимернои композицией. После прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025-0,3 мм.

2. Лазерное спекание порошковых материалов ^Selective Laser Sintering, SLS-технология) является единственной технологией 3D-печати, которая может быть использована при изготовлении металлических формообразующих для металлического и пластмассового литья. Пластмассовые прототипы обладают хорошими механическими свойствами, благодаря которым они могут быть использованы для изготовления полнофункциональных изделии. В SLS-печати используются материалы, близкие по своим свойствам к конструкционным маркам: металл, керамика, порошковый пластик. Порошковые материалы наносятся на поверхность рабочего стола и запекаются лазерным лучом в твердьш слои, соответствующий сечению 3D-модели и определяющий ее геометрию.

3. Послойная печать расплавленной полимерной нитью (Fused Deposition Modeling, FDM-технология) применяется для получения единичных изделии, приближенных по своим функциональным возможностям к серииным изделиям, а также для изготовления выплавляемых форм для литья металлов. FDM-технология печати заключается в следующем: выдавливающая головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния нити из ABC-пластика, воска или поликарбоната, и с высокой точностью подает полученныи термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собои и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие. FDM-технология была разработана в 1988 году С. Крампом.

4. Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling) имеет следующие запатентованные подвиды: 3D-Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet). Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются

поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих - широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам.

Печатающая головка 3D-принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание. Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твердые, похожие на пластики.

5. Технология склеивания порошков (Binding powder by adhesives) позволяет не просто создавать объемные модели, но и раскрашивать их. Принтеры с технологией binding powder by adhesives используют два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок, из которого формируется модель, и жидкии клеи на воднои основе, проклеивающий слои порошка. Клеи поступает из печатающей головки 3D-принтера, связывая между собои частицы порошка и формируя контур модели. После завершения печати излишки порошка удаляются. Чтобы придать модели дополнительную прочность, ее пустоты заливаются жидким воском.

6. Ламинирование листовых материалов (Laminated Object Manufacturing, LOM-технология) предполагает изготовление 3D-моделеИ из бумажных листов при помощи ламинирования. Контур очередного слоя будущей модели вырезается лазером, а ненужные обрезки режутся на небольшие куски, которые впоследствии удаляются из принтера. Структура готового изделия похожа на древесную и обладает сниженной влагостойкостью.

7. Облучение ультрафиолетом через фотомаску (Solid Ground Curing, SGC-технология) предполагает создание готовых моделеи из слоев распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшиеся затвердевший материал повторно

облучается жестким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоев. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика

предыдущий слои механически выравнивается.

Анализ существующих аддитивных технологии, проведенный студентами и преподавателями по критериям технической оснастки принтера, технологического процесса печати и экономической составляющей, позволил сделать вывод, что для создания и прототипирования трехмерных объектов целесообразно и экономически выгодно использовать принтеры, функционирующие на основе…