МАШИНА ЗА 3D ПРИНТИРАНЕ ИЗПОЛЗВАЩА FDM ТЕХНОЛОГИЯ

Препис

1 МАШИНА ЗА 3D ПРИНТИРАНЕ ИЗПОЛЗВАЩА FDM ТЕХНОЛОГИЯ А. Христов, И. Стоянов, М. Велева, Г. Пачов Резюме: В настоящата статия е изложено разработено решение за реализация на машина за изработка на детайли от различни видове полимер, използваща технология FDM (Fused Deposition Modeling) за 3D принтиране. Поради все по голямата нужда от подобни методи за бързо прототипиране и нарастващата им популярност, тази машина представлява чудесен пример за икономически изгодно решение с достатъчно малки размери за настолна употреба и ниски нива на шум, което я прави практически използваема дори в домашни условия. Целта и е работа с множество видове полимер едновременно, с цел изработване на многоцветни и с различна сложност прототипни детайли. Ключови думи: 3D принтиране, 3D принтер, FDM технология, прототипиране. 1. Въведение Работата на инженерите в днешно време е тясно свързана с внедряването на нови технологии, които са по-бързи, по-компактни и по-надеждни от предшестващите ги. За да изпълнят това инженерите често имат нужда от физически модели за осъществяване на тестове или визуално представяне на своите идеи. Тъй като повечето методи на производство като леене, коване, фрезоване и т.н. представляват твърде скъпо и времеотнемащо препятствие за повечето фирми, тук намират своето място методите за бързо прототипиране: 3D принтиране, лазерно синтероване и др. Един от най-бързо развиващите се методи в последно време е метода на адитивния печат или по-познат като 3D принтиране. 2. Теоретични основи при разработване и принтиране на желан триизмерен обект Фиг. 1 Създаване на 3D модел Адитивния печат се различава съществено от традиционните методи на производство като фрезоване, струговане, шлифоване и т.н., където материала се отнема от предварително подготвена заготовка. При 3D принта детайла се изгражда постепенно, като 3D формата на детайла се нарязва на много слоеве (сечения) с малка стъпка между тях. Наслагвайки слоевете се реализира 3D геометрията на детайла. За да се "принтира" желания твърд триизмерен обект трябва да се изпълнят няколко стъпки: 318

2 Създава се неговият 3D модел. Това се реализира като се проектира с 3D-CAD програма или се копира вече съществуващ триизмерен обект със сканиращо устройство. Модела трябва да бъде дигитално нарязан на хоризонтални слоеве (сечения) и всеки слой бива трансформиран в 2D описание на геометрията в X и Y координати и формат подходящ за машината, която може да възпроизведе геометрията. Това се извършва, чрез така наречените slicer програми. Координатите се записват като работна програма под формата на G-код, който се изчита и изпълнява от дадената FDM базирана машина за принтиране. 3D принтирането като технология се появява в средата на 80-те години на миналия век и постепенно се развива до наши дни. В началото машините за бързо прототипиране са били с размерите на цяла стая, но сега можете да намерите машини с размери, удобно пригодени за бюро. Адитивният печат дава възможност на съвременния конструктор да скъси времето за прототипиране до минимум, преминавайки от скица през моделиране до получаване на готов детайл за по-малко от един ден. Фиг. 2 3D принтер HWD 3D #1 3. Техническо задание и избор на принципна схема за работа Изработената машина работи чрез FDM технологията. Техническите параметри на машината, които са избрани за проекта са следните: Работен обем: 200mm x 200mm x 200mm Габаритни размери на машината: 400mm x 380mm x 400mm Собствено тегло:10кг. 319

3 Точност: 0,1 mm Избран firmware: Marlin Firmware Фиг. 3 3D Модел на разработваната машина Задвижването по осите X и Y се осъществява с паралелно движение на два електромотора, свързани с каретата, носеща печатната глава, чрез два еднакви по дължина ремъци и ролкова система. Движението е базирано на така наречената Core XY схема (фиг. 4). 320

4 Фиг. 4 Core XY Спецификата на технологията на адитивния печат също създава известни ограничения към формата от гледна точка на хоризонтално разположените повърхнини, които не са свързани с основната платформа чрез подпорен материал. Фиг. 5 Геометрични затруднения при 3D принтиране на детайли Наслагването на материал върху вече съществуващ материал във вертикално направление не представлява проблем за технологията. Пример за това са детайлите от Фиг. 5 наподобяващи буквите Y, H и Т. 321

5 Обикновено добавянето на материал под ъгъл >45⁰ не представлява проблем за повечето машини. Пример за това е детайл с форма наподобяваща на буквата Y, където от един вертикален стълб наслояването трябва да продължи в два лъча сключващи 45 o с хоризонталната платформа (Фиг. 6). Подобни детайли не се нуждаят от подпорен материал. Фиг. 6 Използване на подпорен материал при 3D принт При буквите H и Т принтирането е малко по-сложно. Когато трябва да се създаде материал между две вертикални ребра обикновено се появява нужда от подпора. При FDM технологията поради непрекъснатото подаване на разтопен материал е възможно "прескачане" на нишката между ребра разположени на не повече от 5 mm едно от друго, създавайки мост от материал. Това прави възможно изработването на детайли с формата на буквата H. При буквата Т има наличие на две хоризонтални части, които висят над платформата без никаква подпора. За да е възможно принтирането на подобни детайли има нужда от подпорен материал; в противен случай се получава "разнищване" на детайла (Фиг. 7). Създаденият подпорен материал далеч няма нужда да бъде плътен слой, а е достатъчно да се подчинява на условието за провисването на нишката на повече от 5 mm. Най често подпорен материал се създава в зиг-загообразна форма. Фиг. 7 Разнищване на детайл 322

6 Резултати: Разработено е устройство, съответстващо на дадените технически параметри, базирано на дадената технология. Устройството, или още 3D принтера, беше подложен на множество тестове с цел подобряване на работата му и извършване на фини настройки, целящи перфектно принтирани детайли. 4. Изводи: Избрана е FDM технологията, въз основа на която, да бъде конструирана машината. Избрана е Core XY технологията като най-надеждна и същевременно лесна за изпълнение, въз основа на която да бъде задвижвана главата на принтера. Приложени са различни видове материали за принтиране, със съответно различни температури на топене, както и технически характеристики с цел тестване на възможностите на построената машина. Принтирани са различни обекти, с цел тестване и прилагане на различни настройки, целящи перфектни характеристики на принтирания обект. Литература: 1. уебсайт специализиран в предлагане на услуги за 3Dпринтиране уебсайт на фирма B2N 3. уебсайт на фирма Stratasys 4. Левтеров, Л., И. Димитров, П. Йорданов, Е. Ганчев, Машинни елементи, София, Техника, D PRINTING DEVICE USING FDM TECHNOLOGY Hristov A., Stoyanov I., Veleva M., Pachov G. Abstract: The article at hand presents a well-developed solution to the realization of a machine focused on the production of details from different types of polymer, using the FDM technology for 3D printing. Due to the increasing need for such methods of fast prototyping and their growing popularity, this machine represents a great example for economically profitable solution with small enough size so as to be used for desktop use and low noise levels, making it practically usable even at home. Its purpose is to work with lots of different types of polymer simultaneously in order to produce multicolor and multicomplex prototypical details. Данни за авторите: инж. Александър Христов Христов, , alex.h.hristov@gmail.com Мартина Николаева Велева, , m.veleva93@gmail.com Ивелин Светлозаров Стоянов, , ivelin_stoyanov@abv.bg Георги Аленов Пачов, , georgipachov@hwdbg.com 323