АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СФЕРЕ МЕТРОЛОГИИ (3D-ПЕЧАТЬ)

АННОТАЦИЯ

Технологии аддитивной метрологии (АМ) позволяет инженерам проектировать и создавать детали более точно, чем когда-либо прежде. Они также помогают сделать производство более распределенным и устранить устаревание. В этой статье представлены различные типы аддитивной технологий, а также проблемы метрологии, которые необходимо решить. Обсуждаются потенциальные области применения, технологические ограничения, связанные с тремя популярными категориями АМ-технологий; экструзия материалов (например, моделирование плавленого осаждения), сплавление порошкового слоя (например, селективное лазерное плавление) и осаждение направленной энергии (например, лазерное формование сетки). Технологии AM демонстрируют огромные перспективы и могут революционизировать проектирование, производство, логистику.

Ключевые слова: Аддитивные технологиии, метрология, 3D-печать.

Введение

АМ может быстро производить объекты, которые считаются трудными или невозможными для изготовления традиционными методами производства. В то время как механическая обработка требует вырезания деталей из более крупного блока материала, AM включает в себя "печать" детали с нуля. Металлы, керамика, пластмассы, композиты и даже продукты питания могут быть аддитивно изготовлены.

Американское общество испытаний и материалов (ASTM) определяет AM как “процесс соединения материалов для создания объектов из данных 3D-модели, обычно слой за слоем, в отличие от субтрактивных методов производства”. Термины " АМ " и "3D-печать" имеют несколько разные значения. 3D-печать относится к технологиям, использующим печатающую головку для нанесения материалов (обычно пластика). AM широко описывает процессы, которые делают детали из данных 3D-модели, соединяя материал, а не вычитая его.

AM может изготавливать сложные или прототипные детали с меньшими затратами, чем традиционные процессы, такие как механическая обработка, благодаря экономии времени, труда и материалов. Из-за послойной конструкции в АМ некоторые полые или сложные формы, ранее считавшиеся невозможными для изготовления, теперь фактически представляют собой предпочтительные конструкции. AM также устраняет многие конструктивные ограничения, позволяя инженерам изготавливать более легкие и эффективные детали за меньшее время.

Существует несколько типов АМ-технологий, и подобные методы часто носят стандартизированные названия (ISO/ASTM, 2015). Однако технологии АМ можно сгруппировать по их механизмам.

Экструзивные 3D-принтеры используются для работы с термопластами. Их обычно называют моделированием плавленого осаждения. Вместо того чтобы укладывать порошок и затем сплавлять его, экструзивные принтеры расплавляют пластиковую нить из катушки и помещают ее через печатающую головку (рис. 1).

Рисунок 1. Экструзивный 3д принтер

Метрология, наука об измерениях, включает в себя оборудование, которое выполняет измерения, а также сами измерения и анализ полученных данных. Калибровка - это сравнение значений измерений, полученных испытываемым устройством, с измерениями калибровочного стандарта известной точности.

AM устраняет многие из традиционных конструктивных ограничений для производства, но также вводит некоторые новые проблемы. В настоящее время AM не может построить геометрически совершенную деталь, потому что этот процесс включает в себя внутреннюю неточность.

Стерео-литография - это стандартный формат файлов 3D для AM. Он аппроксимирует внешние поверхности 3D-модели в виде сетки связанных треугольников. Треугольный метод означает, что файл изогнутой части всегда будет иметь некоторую ошибку по сравнению с исходной моделью (рис.2 А). Однако технические специалисты могут предотвратить появление ошибок в конечной части, сжимая треугольники до тех пор, пока сетка не станет более тонкой, чем разрешение, полученное машиной AM. Сетка образует основу для нарезки поперечных сечений 3D-модели. Машины AM распределяют материал слой за слоем, чтобы соответствовать этим поперечным сечениям, что создает еще один источник геометрической ошибки, поскольку слои имеют конечную толщину. Детальный взгляд на любую деталь AM показывает текстуру ступени лестницы, как показано на (рис. 2 B)

Рисунок 2.  Использование слоев конечной толщины для построения 3D-деталей

ASTM и Международная организация по стандартизации (ISO) предложили новый формат аддитивного производства (ISO/ASTM, 2016). Новый тип файла не является проприетарным и включает в себя больше данных, чем STL-файлы. Файлы позволяют пользователям создавать расширенные функции, такие как функционально градуированные материалы, микроструктура, градиенты окраски, текстуры и решетчатые структуры. Также искривляет края некоторых треугольников в сетке, что дает примерно в 1000 раз меньшую геометрическую ошибку.

Мониторинг на месте отличается для различных процессов АМ, но конечные части позволяют проводить инспекцию одинаковыми способами. Основные измерения размеров с помощью таких инструментов, как штангенциркули, остаются важными. Можно взвесить и сравнить с номинальным весом, рассчитанным компьютерной моделью, или напечатанными в другом месте. Этот тип быстрой проверки выявляет значительные ошибки в размере или плотности и может выявить плохие детали. Технология аддитивной метрологии также собирает стандартизированные "артефактные" отпечатки из различных лабораторий по всей стране для анализа точности АМ-принтеров. Артефакты происходят из тех же компьютерных моделей. Они измеряются для всех 14 переменных геометрических размеров и допусков, включая плоскостность, округлость, углы и симметрию. Координатно-измерительная машина (КИМ) собирает информацию от каждой детали. Данные этого проекта позволят a приступить к разработке графиков калибровки и стандартов для аддитивной метрологии.

3D-печать неизменно процветает как невероятно захватывающая технология с проверенными универсальными возможностями. В настоящее время АСТМ работают над более чем 70 различными проектами 3D-печати с целью переписать правила производства, логистики, технического обслуживания и приобретения. Прежде чем АМ сможет стать крупномасштабным инструментом, используемым в производстве, системы обратной связи и контроля качества, подтверждающие прочность деталей, нуждаются в дальнейшем развитии.

Список литературы:

1. 3DPrintingfromScratch (2015) Types of 3d Printers or 3d Printing Technologies Overview, 3D Printing from Scratch [online] http://3dprintingfromscratch.com/common/types-of-3dprinters-or-3d-printing-technologies-overview/ (accessed 11 February 2021).
2. ASTM (2012) F2792. 2012. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies.
3. ASTM (2018) F42 Factsheet, ASTM International, West Conshohocken, PA 19428 [online] https://www.astm.org/COMMIT/F42_Fact_Sheet_%202016.pdf (accessed 5 February 2021).
4. COMFRC, P.A. (2014) Fleet Readiness Center East Repairs Harrier Using 3-D Printing, edited by Commander, F.R.C.C P.A., Naval Air Systems Command, Patuxent River, MD.
5. Ford, S.L.N. (2014) ‘Additive manufacturing technology: potential implications for US manufacturing competitiveness’, Journal of International Commerce and Economics, Vol. 6, No. 1, pp.40–74.
6. Frazier, W.E. (2014) ‘Metal additive manufacturing: a review’, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 23, No. 6, pp.1917–1928.
7. ISO/ASTM (2015) ISO/ASTM 52900:2015(eng) Additive manufacturing – General Principles –Terminology.
8. ISO/ASTM 2016. 52915:2016 (eng) - Specification for Additive Manufacturing File Format (AMF) Version 1.2.