КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ 3D-ПРИНТЕРОВ

CLASSIFICATION AND ANALYSIS OF CONSTRUCTION OF 3D-PRINTERS

Dmitry Tsybin

undergraduate, Department of Technology and Control Systems in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University,

Russia, Saratov

Oleg V. Zakharov

scientific adviser, Ph.D., Full Professor, Department of Technology and Control Systems in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University,

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

Аддитивные технологии являются быстро развивающимся сектором производства. В настоящее время разработаны и используются на производстве достаточно большое число 3D-принтеров, различающихся кинематикой, конструктивным исполнением и технологическим возможностями. В статье предпринята попытка классифицировать конструкции 3D-принтеров с учетом влияния конструктивного исполнения на их выходные характеристики.

ABSTRACT

Additive technologies are a rapidly growing manufacturing sector. Currently, a large number of 3D printers have been developed and are used in production, differing in kinematics, design, and technological capabilities. The article attempts to classify the constructions of 3D printers, taking into account the effect of construction on their output characteristics.

Ключевые слова: 3D – принтеры, классификация, 3D – печать, кинематика.

Keywords: 3D printers, classification, 3D printing, kinematics.

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing) или в дальнейшем 3D-печать получают все большее распространение в различных отраслях промышленности, в том числе машиностроении [1-5]. Аддитивное производство может стать альтернативой многих традиционных технологий обработки резанием или пластическим деформированием [6-8]. Спектр изделий, получаемых методами аддитивной технологии, постоянно расширяется [9-11].

В общем случае 3D принтеры можно классифицировать по следующим признакам:

1. технология печати;
2. кинематическая схема;
3. конструкция;
4. производительность.

Рассмотрим каждый критерий подробнее.

1. Технология 3D - печати.

Основные различия технологии 3D принтеров по типу прототипирующего материала и способам его нанесения. Приведём классификацию технологий 3D печати исходя из вышеперечисленных критериев (таблица 1) [1].

2. Кинематическая схема.

Все 3D-принтеры также классифицируются по виду кинематики. Видов кинематики 3D-принтеров насчитывают четыре: декартовая (традиционная), полярная, дельта, роботизированная SCARA. От их особенностей зависит принцип функционирования устройства и способ обработки заготовки. Приведём сравнительный анализ этих кинематических схем.

Таблица 1

Классификация аддитивных технологий в зависимости от исходного материала и его состояния

Самые распространенные – 3D-принтеры с декартовой кинематикой. Они основаны на декартовой системе координат, работают осях X, Y и Z. По ним задаются координаты, по которым печатающая головка меняет положение относительно платформы. У печатающей головки есть ограничения относительно движения по трем осям:

• Экструдер направляется в высоту, когда платформа двигается по горизонтальным осям X или Y.
• Платформа движется вверх по оси Z, экструдер в этот момент может передвигаться по горизонтальным направлениям.
• Платформа перемещается по одной из осей в высоту, экструдер поднимается по другой оси.
• Платформа статична и не двигается, экструдер передвигается по всем трем осям.
• Экструдер проходит по координатам в высоту, а платформа осуществляет движение по осям X и Y.

Самыми распространенными вариантами во время функционирования являются первый и второй. Декартовая кинематика отличается рядом преимуществ:

• простая схема движения, она подходит для любительской печати. На ее основе работают многие бюджетные модели;
• Принтер может выпускаться в любых габаритных параметрах, при необходимости он модернизируется.
• Расходные материалы представлены в свободном доступе. Пользователям предлагают большое количество материалов и расцветок.
• Принтеры могут поставляться в разобранном виде. Такая особенность позволяет новичкам в мире 3D-печати разобраться в принципе работы механизма.
• Устройства, работающие на основе картезианской системы, подходят для массового выпуска деталей. Они предназначены для создания заготовок разных размеров.

Из недостатков принтеров, построенных по принципу трех систем координат, выделяют два фактора:

• модели громоздкие, после сборки они занимают много места на рабочем столе;
• невысокая скорость печати.

Принтеры, работающие на кинематике типа «Дельта», отличаются от своих конкурентов по ряду особенностей. При печати стол остается неподвижным, а печатающая головка перемещается сразу по трём установленным осям. В таких устройствах нет деления на ось X, Y и Z. Для перемещения каретки в сторону необходимо опустить одну ось, а оставшиеся приподнять.

Существующие дельта-принтеры отличаются следующими преимуществами:

• Устройства не занимают много места на рабочем столе, они высокие, но не широкие.
• Модели могут обрабатывать 300–400 мм/с.
• Необычный и зрелищный процесс печати.

Однако у дельта - принтеров есть и несколько минусов.

• На печатной поверхности образуется линза, из-за которой невозможно полноценно откалибровать процесс печати, что усложняет калибровку и замедляет массовое внедрение кинематики.
• Высокая скорость печати заставляет жертвовать точностью. Все оси выполняют мелкие передвижения, и-за чего возникают погрешности.
• Дельта - принтеры оснащены 32-битными платами, из-за чего они не поддерживают взаимодействия с 8-битными системами.
• Рама должна быть жесткой для избегания люфтов, отклонений и искривлений.
• У дельта - принтеров есть ограничения по весу, поэтому использовать экструдеры типа Direct запрещено.

На дельта - принтерах можно выстраивать качественные вертикальные модели даже с большими габаритами. На корпусе нет выступающих деталей, что позволяет самостоятельно увеличить его жесткость.

Полярная кинематическая схема представлена только у одной фирмы – Polar. Суть такой технологии заключается в том, что в ней нет позиционирования по осям X, Y и Z. Положение экструдера задается показателем угла и радиуса. Платформа у полярных 3D-принтеров отличается круглой формой и движется только по горизонтальной оси и только вращается по кругу. Экструдер перемещается вверх и вниз.

Из преимуществ 3D-принтеров на полярной кинематике выделяют:

• возможность создавать крупные объекты;
• высокую энергоэффективность;
• экономия материалов;
• небольшие габариты.

Из недостатков можно выделить следующее:

• низкая точность печати, над которой фирма Polar ведёт работы;
• платформа в процессе работы не подогревается;
• невозможно обрабатывать пластик ABS.

Полярные принтеры уступают по точности печати декартовым и дельта-принтерам. Такие модели производитель рекомендует использовать в образовательных целях, для профессиональной печати они пока не подходят.

SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) – это кинематика, которая основана на вращении платформы по горизонтали. Движение достигается за счет сочленения рычажного механизма. 3D-принтеры с роботизированными манипуляторами представляют собой конструкцию с механическим программируемым манипулятором-захватом заменяемым экструдером. В данной схеме экструдер располагается на конце манипулятора, движущегося за счет рычажных сочленений по осям XY и отдельного привода по оси Z. [4]

Из преимуществ такой кинематики:

• точность печати;
• высокая скорость обработки заготовки;
• небольшие габариты и масса.

Недостатки:

• ограничения по жесткости в зоне осей X и Y;
• высокая стоимость;
• не самая широкая сфера использования.

3. Конструкция 3D принтеров.

Для того чтобы представить типовую конструкцию 3д-принтера рассмотрим самую распространенную технологию объемной печати – послойная наплавка (FDM).

Экструдер, самая сложная часть 3D-принтера, которая продолжает совершенствоваться. Экструдер 3D - принтера – это узел, который обеспечивает подачу расплавленного пластика в рабочую зону аппарата. Он состоит из двух элементов – привод самой нити и термальная головка.

Поверхность печати – это рабочая поверхность, на которой и готовятся 3D-детали. Поверхность платформы обычно производится из стекла или алюминия для лучшего распределения тепла по рабочей платформе для обеспечения гладкой и ровной поверхности. Стекло дает более ровную поверхность, в то время как алюминий лучше распределяет тепло в случае подогреваемой платформы.

Шаговые двигатели – элементы конструкции 3D-принтера, отвечающие за равномерное перемещение печатающей головки в заданном пространстве. Тип линейного двигателя, который используется на конкретном 3D-принтере, во многом определяет то, насколько точно будет печатать устройство, насколько быстро, а также насколько часто и много надо будет обслуживать 3D-принтер.

Диапазон движения линейных приводов обычно ограничен механическим или оптическим фиксатором. Они играют роль ограничителей, которые подают принтеру сигнал, что он подошел к краю рабочей поверхности, чтобы предотвратить выход за рамки платформы.

Рама – конструктивный элемент, обеспечивающий в долговременном плане сохранение геометрии и отсутствие люфтов независимо от различных неблагоприятных условий окружающей среды. Форма рам, а также материал, из которого она изготовлена, очень сильно влияют на точность и качество печати. Во многих 3D-принтерах используются резьбовые стержни и другие материалы в конструкции рамы. Также многие принтеры используются созданные лазерной резкой фанерные листы для создания рамы.

4. Производительность.

В начале века оборудование для трехмерной печати было очень дорогой экзотикой, доступной только крупным компаниям и исследовательским лабораториям, а сейчас 3D-принтер даже доступен для домашнего пользования. Выпуском подобного оборудования и комплектующих для его самостоятельной сборки занимаются более 300 компаний по всему миру. Конструкция и технические характеристики принтеров принципиально различаются в зависимости от их назначения. Все выпускаемые модели условно можно разделить на 3 категории:

• персональные – низкопроизводительные простые и понятные в управлении аппараты, которые можно собрать самостоятельно из комплекта деталей.  Позволяют создавать простейшие изделия, работают на основе пластиковой нити. Подходят как для энтузиастов, которым интересно разобраться с новой технологией и радовать близких отпечатанными фигурками, так и для небольших мастерских, студий дизайна, офисов и ракламных агенств.
• профессиональные – крупногабаритное производительное оборудование с большим количеством настроек, опций и высокой точностью печати. Работа за 3D-принтером такого класса требует знаний и соответствующей подготовки. Предназначены для строительных, архитектурных компаний, среднего и крупного бизнеса.
• промышленные – автоматизированные печатные центры с максимально возможными техническими характеристиками и большой рабочей площадью. Способны работать в нескольких технологиях и с различными видами сырья. Устанавливаются на крупных промышленных предприятиях по изготовлению высокоточных изделий любых габаритов и назначения.[5]

Проведём сравнительный анализ персонального, профессионального и промышленного принтеров (таблица 2).

Исходя из анализа технических характеристик можно сделать следующие выводы:

• Персональные 3D принтеры обладают сравнительно небольшой рабочей областью печати, узким выбором материалов, невысокой скоростью печати и простой конструкцией. Изделия, полученные такими принтерами, имеют невысокое качество. Однако такие 3D принтеры имеют невысокую стоимость, что делает его отличным вариантом для личного пользования.
• Профессиональные 3D принтеры, по сравнению с персональными, обладают большей областью печати, более высокой производительностью и более сложной конструкцией, большим выбором материалов для печати, могут обладать как рабочим дисплеем, так и имеют подключение к внешним устройствам, таким как ПК. Изделия, полученные такими принтерами, имеют высокое качество, однако и цена принтеров высокая и начинается от 400 000 рублей. Данные 3D принтеры подходят для использования как небольшими предприятиями.
• Промышленные 3D принтеры, по сравнению с профессиональными, обладают большей областью печати, большей производительностью, имеют куда более сложную конструкцию и функциональные возможности (например, BigRep Edge обладает сушильным шкафом для пластика, что повышает качество изделия), обладают сенсорным дисплеем и кабелем USB для подключения к внешним устройствам. Однако принтер обладает более узким выбором материалов. Изделия, полученные такими 3D принтерами, ничуть не уступают, а порой и превосходят профессиональные. Цена таких принтеров начинается от 1 500 000 рублей. Данные принтеры подходят для использования средними и крупными предприятиями.

Таблица 2

Основные технические характеристики

Список литературы:

1. Гончарова О.Н. Аддитивные технологии – динамично развивающееся производство / О.Н. Гончарова, Ю.М. Бережной, Е.Н. Бессарабов, Е.А. Кадамов, Т.М. Гайнутдинов, Е.М. Нагопетьян, В.М. Ковина // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4.
2. Григорьев С.Н. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом / С.Н. Григорьев, И.Ю. Смуров // Инновации. 2013. № 10. С. 76-82.
3. Фомин А.А. Обеспечение микрогеометрии поверхностей при обработке заготовок с неоднородными свойствами / А.А. Фомин // Сборка в машиностроении, приборостроении, 2012. № 12 С. 27-29.
4. Прогнозирование погрешностей сборки изделий с использованием действительных моделей деталей / Ю.С. Елисеев, М.А. Болотов, В.А. Печенин, И.А. Грачев, Е.В. Кудашов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18. № 2. С. 128-137.
5. Ерисов Я.А. Критерий пластичности анизотропной среды с учетом кристаллографии структуры и его экспериментальная проверка / Я.А. Ерисов, Ф.В. Гречников, С.В. Сурудин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т. 14. № 4. С. 42-49.
6. Демьяненко Е.Г. Исследование способа формообразования тонкостенных деталей на основе процессов отбортовки и формовки / Е.Г. Демьяненко, И.П. Попов // Авиационная техника. 2016. № 2. С. 114-118.
7. Захаров О.В. Минимизация погрешностей формообразования при бесцентровой абразивной обработке: монография / О.В. Захаров. Саратов: СГТУ, 2006. 152 с.
8. Захаров О.В. Бесцентровое шлифование конических поверхностей на станках с продольной подачей / О.В. Захаров // Автоматизация и современные технологии. 2006. № 7. С. 14-16.
9. O.V. Zakharov, I.N. Bobrovskij, A.V. Kochetkov. Analysis of Methods for Estimation of Machine Workpiece Roundness. Procedia Engineering. Vol. 150 (2016) Pp. 963-968.
10. Григорьянц А.Г. Лазерные аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров, Р.С. Третьяков. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. 278 с.
11. Трошин А.А. Обзор технологических возможностей FDM-3D принтеров / А.А. Трошин, О.В. Захаров // Современные материалы, техника и технологии. 2020. № 1. С. 61-65.