Межкафедральная лаборатория быстрого прототипирования
Принцип действия трехмерной печати
Любая идея, как бы хороша она ни была, может навсегда остаться только идеей и ни чем более, если она не имеет материального воплощения или опытного образца. Люди, чья профессия подразумевает непосредственное преобразование идеи в новый качественный и полезный объект — проектировщики, конструкторы, инженеры, знают об этом как нельзя лучше. Даже самый подробный чертеж какого-либо нового продукта не сможет до конца передать широкой аудитории всех его преимуществ и конструктивных особенностей.
До относительно недавнего времени создание опытных образцов нового товара или сложных деталей было процессом крайне затратным и мягко говоря, неудобным. Необходимо было найти предприятие, которое, при условии наличия нужных ресурсов, взялось бы за исполнение единичного заказа, сроки были весьма продолжительными и стоимость подобных работ так же была высока. Кроме того, не существовало никаких гарантий, что на выходе заказчики получили бы именно тот продукт, который был им нужен — любое инновационное решение, так или иначе, подразумевает определенную доработку и улучшение характеристик. А в условиях прямой зависимости от предприятия-производителя какие-либо дополнения и преобразования конечного продукта были весьма затруднительны.
Однако благодаря постоянно развивающимся технологиям и прогрессу, подобные процессы изготовления образцов или макетов значительно упростились. Ниже описаны принципы действия аппарата трехмерной печати, которые позволяют современным инженерам или проектировщикам создавать пробные материальные объекты самостоятельно, не завися от сторонних производителей и в оптимальных условиях. Несколько манипуляций с помощью совершенного программного обеспечения, быстрая установка нужных параметров, считанные часы ожидания — и образец готов. Такая схема работы позволяет самостоятельно контролировать весь процесс производства, значительно сократить цикл проектирования, не допустить дорогостоящих ошибок и крайне эффективно использовать выделяемые на разработку продукта средства.
Говоря об относительно недавнем времени создания аппаратов трехмерной печати, следует упомянуть 1993 год, когда специалисты Массачусетского технологического института впервые разработали принцип трехмерного моделирования. А уже спустя три года — в 1996 году компания Z Corporation, созданная некоторыми из этих специалистов, объявила о выпуске первого трехмерного принтера. С течением времени, выпускаемые аппараты совершенствовались, дорабатывались и за короткий период времени прошли небывалый путь технической эволюции. К 2009 году трехмерный принтер ZPrinter стал единственным в своем роде оборудованием, которое при эргономичных размерах и доступной цене, способно воспроизводить самые необычные и при этом качественные трехмерные объекты.
Процесс трехмерной печати
Главной задачей этого процесса является преобразование идеи модели в физический объект. Для этого эту самую идею на начальном этапе воплощают на компьютере при помощи программного обеспечения САПР трехмерных объектов. В качестве инструмента воплощения могут быть использованы свыше двух десятков различных программ, среди которых: 3D Studio Max, Autodesk, SolidWorks, AutoCAD и прочие. Все эти программные продукты экспортируют 3D-модели в виде стандартных готовых файлов в форматах STL,WRL (VRML), PLY, 3DS и ZPR. Файлы в указанных форматах представляют собой сетку или серию треугольников, которые ориентированы в трехмерном пространстве.
После создания 3D-модели можно запускать печать. Готовый файл помещается в ПО ZPrint, где при необходимости можно изменять масштаб создаваемого объекта, ориентировать его в камере построения и указать количество необходимых экземпляров. Программа ZPrint самостоятельно разобьет объект на сотни поперечных сечений, каждое из которых будет являться уровнем модели, создаваемой в принтере. Когда все нужные параметры будут заданы, нажатием одной кнопки объект выводится на печать: ZPrinter печатает каждый уровень по принципу «слой за слоем» и в результате в камере построения создается физическая модель, которая по окончании процесса подвергается сушке и затем может быть извлечена.
Для эффективного создания трехмерной модели, создатели ZPrinter снабдили его всем необходимым — конструктивные составляющие аппарата делают процесс создания объекта практичным, безопасным и безошибочным. ZPrinter имеет свой встроенный бортовой компьютер, который автоматизирует все этапы преобразования; специальный воздушный фильтр, который гарантирует, что порошок из которого формируется модель, останется внутри аппарата и не проникнет в помещение с исходящим воздушным потоком; фильтр обломочного материала, который предотвращает попадание в бункер вместе с порошком посторонних частиц или грязи; вакуумный клапан — устройство, автоматически удаляющее излишки порошка из камеры построения обратно в бункер и др.
Цикл трехмерной печати
Состоит из трех основных этапов, которые производятся автоматически без участия пользователя.
1. После вывода объекта на печать начнется этап подготовки. Во время этого этапа ZPrinter начнет прогревать воздух во внутреннем пространстве для создания благоприятных условий преобразования и переместит из бункера в камеру построения необходимое количество порошка (обычно при подготовке слой порошка в камере построения составляет 3,18 мм).
2. Процесс печати. Аппарат осаждает первый слой порошка толщиной 0,1 мм поперек плоскости построения, а затем специальная каретка перемещается поперек этого слоя, нанося клей для придания объекту твердости и, при необходимости — краску, если объект должен получиться цветным. После движения каретки, основание с порошком опускается на 0,1 мм для подготовки следующего слоя. Каретка снова перемещается над объектом, образуя новый слой, и далее все эти процессы повторяются до полной готовности создаваемого объекта.
3.По окончании печати наступает процесс удаления излишков порошка. После окончательного отвержения модели, вакуумная система очистит камеру построения от порошкового материала. Затем модель необходимо из камеры переместить в отсек удаления остатков порошка с готовой модели — в ней, под действием сжатого воздуха модель обдувается, удаляя любые следы порошка.
После полной очистки, объект можно извлекать из принтера, либо подвергнуть его дополнительному процессу — процессу пропитки. Пропитка позволяет сделать модель более плотной, благодаря вытеснению воздуха внутри нее, придает более насыщенный цвет и улучшает ее механические свойства. В зависимости от назначения готового объекта пропитка может осуществляться различными способами и составами: от простейших воды с солью для демонстрационных моделей, и до высококачественных специальных консистенций Z-Bond и Z-Max, которые наделяют объект особой стойкостью к внешним воздействиям и используются в основном для функциональных образцов. Помимо того, что такая технология трехмерной печати сама по себе революционна и не имеет аналогов в мире, она обладает важными особенностями и неоспоримыми достоинствами, которые характеризуют ZPrinter как уникальный и функциональный продукт.
Основные преимущества
Скорость
Скорость печати — один из первостепенных признаков ZPrinter. Проектировщиков или конструкторов в какой-то мере можно отнести личностям творческого характера, которым всегда не терпится воочию увидеть материальный результат своей деятельности. Создателям ZPrinter удалось обеспечить высокую скорость производства благодаря тому, что они отошли от привычных конструктивных особенностей печати. Благодаря предварительному рассеиванию порошка по поверхности, с которой начинается построение модели, вместо подачи его из сопла (что более характерно для любого процесса распыления или работы с порошкообразными веществами), печать готового объекта занимает в пять раз меньше времени. Еще одна технология, используемая в работе ZPrinter — высокоскоростная струйная печать. Благодаря ей, в аппаратах применяется растровый подход к трехмерной печати — печатающая головка способна выполнять до 300 впрысков на каждые 12,7 мм, полоса с данной толщиной покрывается краской за один проход. Кроме того, повышению общей производительности способствует тот факт, что ZPrinter способен создавать несколько объектов за один цикл, в процессе построения устанавливая детали друг на друга.
Цена
Использование распространенного на потребительском рынке метода струйной печати позволило значительно сократить стоимость ZPrinter. Аппарат не требует использования сверхсложных лазеров или многоступенчатых систем терморегулировки, нет никаких особых требований к помещению, в котором предполагается его установка. Кроме того, гипсовый порошок, который используется для построения моделей, так же широко распространен и не является дорогостоящим материалом. Особым плюсом является безотходность производства — неизрасходованная порошковая смесь по окончании работ автоматически перемещается обратно в бункер хранения для последующего использования.
Простота обслуживания и сервисной эксплуатации — еще один фактор, влияющий на сдержанное ценообразование. В этом способствует использование все той же струйной технологии и модульная конструкция — замена компонентов или важных конструктивных деталей не вызовет сложностей и не займет много времени.
Простота использования
Аппараты трехмерной печати ZPrinter совместимы с привычной офисной средой и просты в освоении. Практически все операции при построении объекта полностью автоматизированы, контроль за наличием расходных материалов и исправностью всех узлов принтер осуществляет самостоятельно. Управление этапами работы можно осуществлять как при помощи ПК, так и при помощи собственной встроенной системы ZPrinter — наличие ЖК-монитора и интуитивно понятного интерфейса позволяют овладеть навыками эксплуатации за несколько минут.
Точность построения
Без нее все перечисленные достоинства не имели бы смысла. Опытный образец, изготовляемый ZPrinter, максимально приближен к реальному готовому изделию, которое планируется производить. Электронная система управления и встроенный бортовой компьютер позволяют проводить все операции с максимальной точностью — до 0,1 мм для мельчайших деталей объекта и до 0,5 мм для стенок конструкции.
Цвет
Воспроизведение цветовой палитры в ZPrinter основано на том же принципе, который применяется в принтерах для печати документов. Для окрашивания изделия применяются цвета из общепринятых палитр RGB и CMYK, а благодаря установленному ПО ZPrint, у пользователя имеются самые широкие возможности для смешивания различных цветов, оттенков и текстур. Ключевой особенностью аппаратов ZPrinter является способность воспроизводить 90% палитры Adobe Photoshop и распечатать любое сочетание цветов на одном объекте.
Источник: Автор: (mishu) Михаил Ушинский.