Перспективы использования 3D-принтеров в современном машиностроении

Тамбовское областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

ПРОМЫШЛЕННО – ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Исследовательский проект

Перспективы использования 3D-принтеров в современном машиностроении

Автор:

Алехин Никита Владимирович, студент 2 курса, гр.2ТТД

Руководитель:

Ширяева Галина Борисовна,

преподаватель

г. Мичуринск, 2022 г

Содержание

1. Теоретические основы использования 3D- принтеров в современном машиностроении 3

1.1. История возникновения 3D-принтера 4

1.2. Принцип работы 3D печати 5

1.3. Основные технологии (SLA, SLS, DLP, EBM, HPM) 6

1.4. Использование 3D-принтеров в современных отраслях деятельности человека 7

1.5. Применение3D-печати в машиностроении 8

1.6. Сравнительная характеристика 3D-принтеров 11

2. Пути самосовершенствования в применении аддитивных технологий 12

Заключение 12

Список используемых источников 13

3D-принтеры в современном машиностроении

Цель работы: изучение использования 3D- принтеров в современном машиностроении.

Задачи:

1. Изучить теоретические основы использования 3D- принтеров в современном машиностроении.

   1. Изучить историю возникновения3D-принтеров.

   2. Изучить принцип работы 3D печати.

   3. Изучить основные технологии 3D печати.

   4. Рассмотреть использование 3D-принтеров в современных отраслях деятельности человека.

   5. Изучить возможности и применение 3D-принтеров в машиностроении.

   6. Провести сравнительная характеристику 3D-принтеров.

2. Предложить пути самосовершенствования в применении аддитивных технологий

3. Организовать мероприятия по знакомству с 3D-принтерами.

Гипотеза: 3D-принтер – это устройство, которое имеет множество перспектив не только в повседневной жизни человека, но и в производственной деятельности.

Объект исследования: 3D-принтер.

Предмет исследования: 3D-принтера в современном машиностроении.

Актуальность теоретического исследования указанного вопроса связана с тем, что в современном производстве использование 3D принтеров применения имеет важное значение.

Сегодня 3D-принтеры – это рабочие инструменты по созданию прототипов, готовой продукции, моделей и всевозможных запчастей, в том числе и запчастей для белковых форм жизни. Технология развивается, а в медицинских лабораториях осваивают печать живыми клетками для воссоздания внутренних органов человека. Благодаря этому устройству фантастика становится реальностью. На что способен 3D- принтер? Так ли он необходим человеку?

Возникает вопрос: как и где могут применяться 3D- принтеры в современном машиностроении.

Методы исследования:

1. Изучение и анализ теоретических источников.

2. Опрос.

3. Сравнение и сопоставление.

4. Анализ и обработка данных.

1. Теоретические основы использования 3D- принтеров в современном машиностроении

3D-печать или «аддитивное производство» – процесс создания цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели. 3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где формирование облика изделия происходит за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»).

3D-принтерами называют станки с программным управлением, выполняющие построение детали аддитивным способом. Поэтому меня заинтересовала проблема перспектив использования 3D- принтеров в различных областях деятельности человека, учитывая, что XXI век – это век цифровизации работы промышленных предприятий.

1.1. История возникновения 3D-принтера

К середине 90-х годов прошлого столетия в мировой экономике сложилась интересная ситуация: фирмы-конкуренты стали не просто бороться за потребителей продукции, но буквально выполнять любые их пожелания. Самое важное, что в итоге однообразную продукцию – например, часы и автомобили – прекратили приобретать миллионными партиями.

Объем продаж с заводов-производителей сократился до нескольких тысяч штук в одной партии. Это ознаменовало начало эпохи мелкосерийного производства. В конечном итоге компании обнаружили, что разработка форм, лекал и прототипов для вЧто-тосе новых и новых моделей обходится весьма дорого.

Примерно тогда же становятся популярными устройства, способные быстро и с минимумом затрат изготавливать модели, — станки с ЧПУ, числовым программным управлением. Многие из них так и остались в секторе производства, но интенсивное развитие отдельной ветви «эволюции» привело к появлению офисных принтеров объемной печати – так началась история развития 3D-печати.

Самым первым устройством для создания 3D-прототипов была американская SLA-установка, разработанная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году и использующая стереолитографию. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, как работает 3D-принтер: объекты наращиваются послойно. Халл сразу же создал фирму 3D Systems, которая изготовила первое устройство объемной печати под названием Stereolithography Apparatus. Первой моделью этой машины, имевшей широкое распространение, стала разработанная в 1988 году SLA-250. Понятное дело, что и такой 3 d принтер цветным не был, а работал лишь с сырьём одного цвета, но для того времени и это было сродни чуду.

В 1990 году был использован новый способ получения объемных «печатных оттисков» — метод наплавления. Его разработали Скотт Крамп, основатель компании Stratasys, и его жена, продолжившие развитие 3D-печати.

Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1995 году двумя студентами Массачусетского технологического института был модифицирован струйный принтер. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Этот метод был запатентован, и теперь используется в созданной теми же студентами компании Z Corporation, а также в ExOne. Z Corp. до сих пор производит 3D-принтеры, использующие эту технологию.

История создания 3D-принтера продолжилась появлением технологии под названием PolyJet, основанной на использовании фотополимерного жидкого пластика. При таком способе печати головка «рисует» слой фотополимера, который моментально засвечивается лампой. Метод оказался выигрышным по многим параметрам: цена его значительно ниже, а высокая точность дает возможность изготовления не просто моделей, но готовых к применению деталей.

Рисунок 1 -3D принтер, модель SLA-250.

Современный трехмерный принтер все больше становится похож на обычный, печатающий на бумаге, по внешнему виду и технологии нанесения «красящего» вещества. Печатаемые им модели отличаются еще и высокой прочностью, поэтому могут применяться в качестве готовых изделий.

1.2. Принцип работы 3D печати

Принцип формирования фигуры с трехмерной печати называют аддитивным (от слова Add (англ.) — добавлять). Для начала создается компьютерная модель будущего объекта. Это можно сделать либо с помощью трехмерного графического редактора CAD-системы (3D StudioMax, SolidWorks, AutoCAD), либо просканировав полностью объект в 3D. Затем, с помощью специального программного продукта разбивает просканированный объект на слои и происходит генерация набора команд, которая определит последовательность, в которой будут наноситься слои материала при печати.

Далее, 3D принтер послойно формирует объект, нанося постепенно порции материала. Располагая печатающую головку в системе двух координат X и Y, принтер наносит материал слой за слоем по смоделированной электронной схеме. При перемещении платформы на шаг вдоль оси Z начинается построение нового уровня объекта.

Для печати в качестве материала в аддитивном производстве могут быть использованы металлические сплавы, пластик, бумага, фотополимеры, минеральные смеси. Некоторые виды 3D принтеров способны работать одновременно с разными материалами, как по свойствам, так и по цвету.

Технологий трехмерной печати довольно много. Различаются они по принципу формирования слоев и их соединениям.

Рисунок 2 - Технология трехмерной печати.

1.3. Основные технологии (SLA, SLS, DLP, EBM, HPM)

Печать на 3D принтерах может осуществляться разными способами, в зависимости от используемого материала.

Технология SLA. Эта технология позволяет наиболее быстрое построение объектов. Технология использует фотополимер, на который направляется лазерный луч, после чего материал затвердевает. После отвердевания изделие можно легко обработать (склеить, окрасить и т. д.).

Технология SLS. Представляет собой спекание порошковых реагентов под воздействием лазерного луча. Это одна из технологий, которая позволяет изготовление форм для металлического и для пластмассового литья.

Технология DLP. Это относительно новая технологий, для реализации которой используются стереолитографические печатные аппараты. Принтеры данного типа используют цифровую обработку светом. Для создания трехмерных фигур в этой технологии используются фотополимерные смолы и DLP-проектор.

Технология EBM .Эта технология использует электронно-лучевую плавку для создания трехмерных объектов. Для послойного наплавления высокоточных деталей был разработан специальный материал — металлоглина. Данный материал изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и воды.

Технологий FDM. Дает возможность получать конечные модели из конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, которая обеспечивает механическую, термическую и химическую прочность деталей.

В наши дни появилось еще одно интересное устройство, использующееся для ручной печати — ручки для рисования 3D объектов. Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной температуры и выдавливается через маленькое сопло.

1.4. Использование 3D-принтеров в современных отраслях деятельности человека

Доказательством того, что 3D-принтеры все более востребованы в современных отраслях деятельности человека является то, что они используются во всех отраслях промышленного производства, а в перспективе в повседневной жизни людей (табл.1)

Таблица 1 -Наиболее типичные области применения 3D-принтеров

№ п/п	Область применения	Модели
	Архитектура	Макет отдельного здания или различные его важные эле- менты, макет целого микро- района, коттеджного поселка с дорогами и деревьями
	Геоинформационные системы (объѐмные карты)	Цветные объемные карты, точно повторяющие ланд- шафт местности или оказы- вающие уровень залегания различных пород
	Промышленная продукция и машиностроение	Создание прототипов и концепт-моделей будущих потребительских изделий или их от- дельных деталей. Модели можно использовать в экспериментальных целях (для выяснения аэродинамических характеристик кузова автомобиля или фюзеляжа летательного аппа рата), для презентаций внешнего вида нового товара
	Медицина	Изготовлениепротезов, создание муляжей и макеты ор- ганов пациента для подготовки врачей к ответственным операциям
	Образование	Наглядные пособия для школьников и студентов. Устройства обладают повы- шенной надежностью благо- даря улучшенной технологии
	Художественные и те- атральные области (декорации, муляжи)	Изготовление точных копий различных предметов, напри- мер, в качестве декораций к фильмам или спектаклям, му- ляжей редких музейных экс- понатов.
	Полиграфия и смеж- ные области	Изготовление макетов упаков- ки — флаконов, бутылок и т.п. оригинальной формы, изготовление объемной цветной модели со всеми эле- ментами дизайна (этикетки, фирменными знаки, штрих-код т.д.) напечатанными прямо на ней

1.5. Применение3D-печати в машиностроении

Для машиностроения, как одной из ключевых отраслей российской экономики, исключительно важны разработки нового оборудования и применение передовых решений. 3D-технологии всецело отвечают этим потребностям. Совершенствуясь, они обеспечивают все большую эффективность, позволяя предприятиям сократить и упростить технологический процесс и оптимизировать расходы на производство.

К примеру, создание прототипа на 3D-принтере займет не месяцы, как на традиционном производстве, а всего несколько часов. Значительно экономятся временные затраты на доработку конструкции и запуск продукта в серийное производство, и, соответственно, снижается стоимость всего проекта. Благодаря применению 3D-сканеров и программного обеспечения для реверс-инжиниринга и контроля геометрии затраты времени и средств сокращаются в среднем в 1,5 раза.

Преимущества 3D-печати

1. Изготовление деталей с геометрией любой сложности, что оставляет далеко позади возможности традиционных методов.

2. Оптимизация таких параметров изделий, как точность и прочность, а также снижение массы за счет создания супертонких стенок, внутренних каналов и бионических структур.

3. Ускорение и снижение стоимости производственного процесса: нет необходимости использовать дорогостоящую оснастку, а в отдельных случаях – мехобработку.

4. Повышение рентабельности изготовления мелкосерийной и кастомизированной продукции.

5. Снижение рисков и ошибок проектирования, в том числе за счет возможности изменения конструкции на поздних этапах проектирования.

6. Управление физико-механическими свойствами продукта благодаря использованию высокотехнологичных материалов.

Задачи, решаемые в машиностроении с помощью 3D-печати

1. Функциональное тестирование и прототипирование.

2. Изготовление технических прототипов для отработки конструкции изделий.

3. Проведение технологических экспериментов.

4. Проверка изделий на эргономичность.

5. Создание мастер-моделей для литья, в том числе по выплавляемым и выжигаемым моделям.

6. Быстрое изготовление оснастки.

7. Производство формообразующих элементов пресс-форм для литья термопластов и легких материалов.

8. Изготовление функциональных деталей для разнообразных агрегатов и узлов.

9. Создание сложных конструкций, в том числе цельных, которые ранее собирались из многих элементов.

Наряду с этим есть у 3D-технологий есть и сдерживающие факторы.

1. Высокая стоимость оборудования и материалов,

2. Недостаточная изученность,

3. Нехватка специалистов,

4. Сложности с интеграцией в традиционные технологические цепочки.

Из наиболее успешных проектов можно привести следующие:

1.Блок гидравлических клапанов.

2.Разветвитель гидроакустической антенны

3. Компоненты газотурбинных двигателей

4. Компоненты и узлы для авиастроения

1.Блок гидравлических клапанов.

Рисунок 3 - Блок гидравлических клапанов.

Финальный CAD-файл блока клапанов, готовый к 3D-печати

Конструкция нового блока гидравлических клапанов, разработанного компаниями VTT и Nurmi Cylinders, была оптимизирована c использованием технологии селективного лазерного плавления (SLM), позволившей значительно сэкономить вес, объем и материал. В результате было создано изделие, вес которого на 66% меньше исходной модели. Благодаря инновационному дизайну удалось оптимизировать поток жидкости по внутренним каналам и решить проблему утечки.

2.Разветвитель гидроакустической антенны

Рисунок 4 -Разветвитель гидроакустической антенны

Слева: мастер-форма из двух частей, напечатанная на 3D-принтере. Справа: извлечение готовой детали из силиконовой формы

ОАО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург) производит системы связи для Военно-Морского Флота РФ, в том числе оборудование с большим количеством мелких элементов, например, разветвитель – один из основных компонентов новой гидроакустической антенны. Для быстрого прототипирования при изготовлении литьевых деталей концерн использует профессиональный 3D-принтер, работающий по технологии CJP. На 3D-принтере выращивается литейная форма, которая затем заливается силиконом. В силиконовую форму можно заливать любой другой материал, в данном случае это полиуретан. В результате предприятие получает своего рода форму для форм – не просто прототип, а опытный образец, готовый к использованию. Реализация проекта с применением стандартных методов потребовала бы нескольких месяцев, но благодаря 3D-принтеру срок создания антенны удалось сократить до трех недель.

3. Компоненты газотурбинных двигателей

Рисунок 5 -Восковая модель, выращенная методом 3D-печати, и готовое изделие

Американская компания Turbine Technologies, Ltd. разработала модификацию двигателей внутреннего сгорания, на которые устанавливаются турбины высокого давления. Компания приобрела принтер для 3D-печати восковых моделей и получает готовую отливку в течение 3-4 дней. Восковые модели теперь изготавливаются непосредственно из 3D-моделей CAD, а литейный цех Turbine Technologies производит компоненты прототипов газотурбинных двигателей с большей точностью и меньшими расходами.

4. Компоненты и узлы для авиастроения

Рисунок 6 - Компоненты и узлы для авиастроения

3D-печать фотополимерами по технологии QuickCast позволяет сэкономить время и деньги, поскольку позволяет обойтись без дорогостоящей оснастки .

В принтере предусмотрен специальный режим печати фотополимером – QuickCast, при котором воспроизводится тонкостенная внешняя оболочка детали, а пустоты внутри детали заполняются ячеистой структурой. QuickCast-модели заменяют традиционные литейные модели и не требуют дорогостоящей оснастки. Таким образом, снижаются затраты на литейные модели на 95%.

Аддитивные методы на сегодня не могут вытеснить или заменить классические технологии, но они доказывают экономическую выгоду при прототипировании и мелкосерийном производстве и становятся единственно возможным решением при изготовлении сложных деталей небольшого размера.

1.6. Сравнительная характеристика 3D-принтеров

Анализ теоретических источников позволил осуществить сравнительную характеристику 3D-принтеров по типу, назначению, материалу для печати ,применение и стоимости.( табл. 1, рис.7).

Таблица 1 -Классификация 3D- принтеров

№ п.п	Тип 3D- принтера	Назначение	Материал для печати	Применение 3D- принтера	Стоимость, тыс. руб.
	Потребительский	Для личного пользования	ABS и PLA пластик	Любительские развлечения или произ водство красочных сувениров	25
	Профессиональный	Отпрототипиро вания до полно- масштабного производства	Пластик, металл, керамика, рези- на, бумага, пе- сок, пищевые отходы, челове- ческие ткани	Высокое качество производимых деталей	180
	Промышленный (производ- ственный)	Печатать прото типов, конечный потребительский продукт	Пластик, металл, керамика, рези- на, бумага, пе- сок, пищевые отходы	Высокое качество производимых деталей	1500

Рисунок 7 - Сравнение 3D-принтеров по стоимости.

2. Пути самосовершенствования в применении аддитивных технологий

При выполнении практических работ во время учебной практической подготовки у обучающихся нашего колледжа по специальности «Технология металлообрабатывающего производства» (квалификация: «Техник-технолог») есть возможность познакомиться с особенностями использования 3D-принтера в области металлообработки и машиностроения. Кроме того, 3D-принтеры используются во всех отраслях промышленности, в том числе и на крупнейших предприятиях г. Мичуринска, где студенты колледжа традиционно работают в период производственной практической подготовки.

Если мы будем знать и уметь применять изученные новые технологии на практике, то это позволит стать компетентным специалистом на рынке труда.

Предлагаю организовать следующие мероприятия по знакомству с 3D - принтерами:

1. Разместить исследовательский проект на сайте колледжа.

2. Разместить данную информацию в сообществе 2 ТТД социальной сети «В контакте».

3. Выступить с сообщением на уроке по предмету «Технологическое оборудование».

Заключение

Гипотеза, что 3D-принтер – это устройство, которое имеет множество перспектив не только в производственной деятельности, но и в повседневной жизни человека – подтвердилась. Применение технологий трехмерной печати, сканирования и моделирования позволяет быстрее выводить новые продукты на рынок, а значит, повышает конкурентоспособность машиностроительных предприятий.

Список используемых источников

1. Аддитивные технологии литейном производстве / additive technologies in foundry engineering 3D-индустрия, Режим доступа -https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/88670/Infogen_1_2021.pdf?sequence=1&isAllowed=y

2. Всѐ о 3D-печати, Режим доступа -– http://www.3dindustry.ru/

3. Сайт «Техно-жизнь» Режим доступа - – http://tech-life.org/technologies/285-3dprin

4. Перспективы использования технологий 3D печати, Режим доступа -– http://www.moluch.ru/archive/70/11963/

5. 3D-принтеры и технология трехмерной печати (Журнал «Молодой ученый) ,Режим доступа - – http://vektorus.ru/auxpage_3d-printery-i-tehnologija-trehmernoj-pechati/

6. Как работает3D-принтер, Режим доступа - http://buyprinter3d.com/ru/kak-rabotaet-3d- printer.html

7. Область применения и перспективы 3D принтеров, Режим доступа - – http://www.fotokomok.ru/oblast-primeneniya-i-perspektivy-3d-printerov/