babkin_oe_monografiya_3d_maketirovanie

ал PLA), хотя может работать и с поликапролактоном (материал

PCL, коммерческие названия: Hand Moldable Plastic, Mold-Your- Own Grips, Insta Morph, Shapelock, Friendly Plastic, Polymorph,

Полиморфус, Экоформакс), а также с синтетическими термопла-

стиками: полиэтиленом высокой плотности (HDPE), АВС-

пластиками (акрилонитрилбутадиенстирольные пластикаты, ABS), полипропиленом (РР). Впрочем, рекомендации разработ-

чиков сделаны в сторону биоразлагаемых пластиков PLA и PCL

под влиянием философии проекта – максимальное приближение технологий и материалов к конечному пользователю. Интересна судьба биоразлагаемой печатной платы…

Несмотря на отягощенность проекта философией и конку-

рирующее распространение профессиональных аппаратов 3D ма-

кетирования, в 2009 г. было создано второе поколение аппаратов

RepRap – «RepRap 2.0 Mendel», а в 2010 г. – аппарат третьего по-

коления «RepRap 3.0 Huxley», основанный на миниатюрной вер-

сии второго поколения (печатающая область составляет всего

30% от оригинала). Изменились и материалы: второе и третье по-

коление RepRap кроме биопластиков уже использовали керами-

ческие и цементные композиты, силиконы, латексы, драгметаллы и даже съедобные материалы – шоколад и сыр.

Технологически это решалось использованием съемных на-

конечников – кроме экструдера к версии 2.0, например, прилага-

лись механизированные шприцы, лазер, паяльник и даже борма-

шинка (для сочетания аддитивного и субтрактивного моделиро-

вания).

80

С целью дальнейшего продвижения проекта с 2010 г. преду-

смотрены премии за разработку и создание улучшенного аппара-

та RepRap на сумму $20,000 и $80,000. Возможно, проект по-

лучит дальнейшее развитие на рынке дизайнерских товаров и в сфере производства, малого предпринимательства, например, су-

венирной продукции.55

Сейчас фактически изначально инициативный проект уни-

верситета Бата (Великобритания) вышел за пределы команды разработчиков. Самый распространенный механизм проекта – финансирование через Интернет определенной модели команды разработчиков: предлагается комплект и все необходимое для по-

стройки, софт, кг (л) расходного материала для самовоспроизве-

дения деталей.

Наиболее интересными стали проекты Veloso 3D (очень на-

поминающий традиционный бюджетный 3D принтер), B9Creator

и MiiCraft (рис. 24).56

MiiCraft – миниатюрный принтер с проектором, работаю-

щим по DLP-технологии (область печати 43×27×180 мм). Рабо-

чий материал – фотополимер. Включает в себя непосредственно принтер и фиксатор для дополнительной засветки готовой моде-

ли. Толщина слоя – 0,1 мм, скорость печати – 20÷30 мм в час. B9Creator – аппарат с регулируемой точностью печати, от

которой зависит размер рабочей области (51×38×203 мм при толщине слоя 0,05 мм; 102×76×203 мм при толщине слоя 0,1 мм).

__________

55[Электронный ресурс]: режим доступа – http://reprap.org

56Фотография [Электронный ресурс]: режим доступа – http:// www.habrahabr.ru

81

Скорость печати – 12÷20 мм/ч.

Veloso 3D – аппарат с регулируемой точностью печати (дос-

тигается фокусировкой). Область печати 150×112×200 мм. Тол-

щина слоя полимера регулируемая – 0,015÷0,1 мм.

Аппарат MiiCraft

Аппарат B9Creator

Аппарат Veloso 3D

Рис.24. Проекты RepRap 2012 г.

Проект 3D макетирования изделия по его голографическому образу

Существуют и другие проекты в области удешевления и доступности послойных технологий макетирования. В данном случае речь пойдет об использовании в оперативном прототипи-

82

рованиии голографических технологий.

В основу проекта положена SLA-технология, использующая принцип прямого лазерного рисования в слое жидкой фотополи-

меризующейся композиции.57

Фактически, технология включает в себя создание трёхмер-

ной математической модели объекта, разбиение ее на слои и по-

следовательное воспроизведение сечений модели на поверхности композиции излучением, сфокусированным в точку. При этом позиционирование лазерного луча по осям XY определяется ком-

пьютерной моделью прототипа, перемещение по оси Z – переме-

щением платформы на глубину, равную толщине выращенного слоя. В итоге в точках воздействия инициирующего излучения происходит изменение фазового состояния среды – образуется твёрдый полимер и происходит послойное «выращивание» про-

тотипа.

По сути, SLA-технологию можно называть технологией по-

пиксельной полимеризации. Ее главным недостатком является большая длительность процесса формирования слоя твёрдого по-

лимера. Так, например, для создания одного слоя 3D модели площадью поверхности ~0,5 см2 точностью 0,1 мм, что соответ-

ствует разрешению ~250 dpi, требуется время ~200-300 с, в зави-

симости от состава среды и мощности излучения.

Проектом предлагается способ создания объёмных струк-

__________

57 Исследование возможности использования голографических изображений при создании 3D моделей методом фотополимеризации: отчет о НИР в 2 ч. / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 44с.; 27 с; илл., прил.

83

тур в среде фотополимеризующейся композиции формированием объекта по его голографическому образу.

Это, с одной стороны, позволит изготовить модели любого уровня сложности, сводя к минимуму возможность допущения ошибки в конструкции и геометрических размерах объекта, с

другой стороны – позволит получить прототип в более короткие по длительности производственного процесса сроки в сравнении с классической SLA-технологией, реализуемой на данный момент в 3D принтерах.

Главным достоинством предлагаемой технологии является то, что формирование всех точек каждого слоя происходит одно-

временно и не требуется последовательное перемещение экспо-

нирующего пучка излучения от точки к точке. При этом достига-

ется такая же точность построения модели, как в реализуемых промышленных технологиях оперативного прототипирования

0,1 мм.

Проектная технология предполагает следующие этапы: из-

готовление голограммы прототипируемого объекта (допускается запись и пропускающей, и отражательной голограмм; впоследст-

вии это будет влиять только на положение восстанавливающего луча относительно голограммы, рис. 25); восстановление голо-

граммы в рабочую область построения объекта (емкость с фото-

полимеризующейся композицией) и послойное выращивание объекта.

После формирования объекта возможно проведение допол-

нительной (вторичной) полимеризации воздействием излучения

84

УФ-диапазона (например, ртутными лампами высокого, среднего

или низкого давления) для увеличения прочности образца.

Лазерный

излучатель

Телескоп

Голограмма

объекта

Экран

Кювета

Изображение

объекта

Фотополимеризующаяся композиция

	Голограмма объекта
	Телескоп
Кювета	Лазерный
	излучатель
Изображение
объекта
	Фотополимеризующаяся
	композиция

а)

схема восстановления действительного изображения объекта с пропускающей голограммы

б)

схема восстановления действительного изображения объекта с отражательной голограммы

Рис.25. Схемы восстановления действительного изображения объекта прототипирования с его голографического образа

Предлагаемая технология прототипирования, реализованная

на этапе обоснования теоретической гипотезы в рамках лабора-

торного эксперимента58, включала следующие этапы:

__________

58 Исследование возможности использования голографических изображений при создании 3D моделей методом фотополимеризации: отчет о НИР в 2 ч. / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 44с.; 27 с; илл., прил.

85

1.Запись голограммы объекта прототипирования осуще-

ствлялась в попутных пучках по схеме Френеля с ис-

пользованием аргонового лазера с генерацией излучения на длине волны 488 нм. В качестве регистрирующего материала использовали нанесенные на стеклянную подложку слои халькогенида состава As36S44/Se20 тол-

щиной ~ 1,2 мкм.

2.Проведение постэкспозиционной обработки голограм-

мы объекта по регламенту: травление в комбинации ор-

ганических компонентов в течение 25 минут; фиксиро-

вание в течение 2 минут, промывка в ацетоне в течение

2 мин. и сушка горячим воздухом (T=40±5 ºC).

3.Восстановление действительного изображения объекта

по схеме (рис. 25б):

фокусировка действительного изображения объекта – плоскость фокусирования изображения устанавливалась на дно кюветы; нулевой порядок дифракции блокиро-

вался экраном;

восстановление – в качестве источника излучения ис-

пользовался лазер с генерацией излучения на длине волны 405 нм;

для оценки качества восстановленного голограммой изображения измеряли значение интенсивности света на голограмме в экспонированных и неэкспонированных участках (Iсв.; Iтемн.), их соотношение использовалось для оценки контраста изображения К=Iсв./ Iтемн..

86

регулирование размера действительного изображения объекта (масштабирование по осям XY) достигается юс-

тировкой телескопа.

4.Формирование 3D-объекта – полимеризация слоёв ком-

позиции по ступенчатому методу смещения кюветы на толщину отверждаемого слоя после полного отвержде-

ния композиции и выключения лазера:

загрузка композиции в рабочую емкость – использована кювета кварцевого стекла; толщина слоя композиции составляла ~ 1 мм (для 100%-ого проведения полимери-

зации слоя и ингибирования процесса кислородом воз-

духа);

экспозиция – в качестве источника излучения использо-

вался лазер с генерацией излучения на длине волны 405

нм; мощность лазера 80 мВт. Для определения экспози-

ции для достижения 100%-ой степени полимеризации слоя фотополимеризующейся композиции использовали формулу:

п p ∙ Tэ ∙ DE / S,

(4)

где p – мощность лазера (Вт);

Tэ – длительность экспозиции (с);

DE – значение дифракционной эффективности голо-

граммы (в долях от единицы);

S – площадь изображения в фокусе (см2).

Результатом эксперимента стал вывод о возможности ис-

пользования голограмм для послойного выращивания трехмер-

87

ных объектов методом фотополимеризации, более того, предла-

гаемая технология даёт значительное увеличение скорости фор-

мирования объектов по сравнению с существующими методика-

ми последовательного экспонирования излучением, сфокусированным в точку.59-62

В приложении 2 представлены фотографии 3D объекта

(призма), созданного методом послойной фотополимеризации с использованием голографического изображения.

__________

59Бабкин, О.Э. Использование голографических изображений при оперативном формировании 3D-объектов методом фотополимеризации [Текст] / О.Э.Бабкин, В.В. Ильина, В.Н. Михайлов, И.Г. Чезлов // Мир техники кино, 2013. – № 1, Вып.27. – С.30-33.

60Бабкин, О.Э. Возможность использования голографических изображений при создании 3D-моделей методом фотополимеризации [Текст] / О.Э. Бабкин, В.В. Ильина, В.Н. Михайлов, С.Н. Сидоров, М.Л. Тимофеева // Материалы Пятой Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» (24-30 сентября 2012 г. СПб-Хилово. - СПб: изд-во СПбГТИ (ТУ), 2012. – 316 с. – С. 129.

61Бабкин, О.Э. 3D прототипирование с использованием голограмм [Текст] / О.Э. Бабкин, В.В. Ильина, В.Н. Михайлов, С.Н. Сидоров // Оптика и фотоника: труды международного семинара (12-14 сентября 2012 г.Ыссык-Куль, Кыргызстан. – Бишкек: изд-во КРСУ, 2012. – 175 с. – С.31-34.

62Бабкин, О.Э. Метод фотополимеризации как способ оперативного формирования 3Dобъектов [Текст] / О.Э. Бабкин, В.В. Ильина, И.Г. Чезлов, М.Л. Тимофеева // Приоритетные научные направления: от теории к практике: сб. материалов II Международной научно-практической конференции /под общ. ред. С.С. Чернова. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2012. – 162 с. – С. 55-59.

88

Заключение

3D макетирование – уникальная технология, позволяющая изготовить модель любого уровня сложности, сводя к минимуму возможность допущения ошибки при ее построении.

3D макетирование может осуществляться разными способа-

ми и с использованием различных материалов, но в основе любо-

го из них лежит принцип послойного создания объекта, когда от шага построения зависит качество поверхности объекта – иногда качество прототипов сопоставимо с объектами, подвергнутыми механической обработке (шлифовка, фрезеровка).

Применимость технологий 3D макетирования на данный момент практически не ограничена. В первую очередь, конечно, в

оперативном прототипировании, т.е. для быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки на этапе их проектирования. Таким образом, можно изменить конструк-

цию узла или объекта в целом. В инжиниринге такой подход приводит к существенному снижению затрат на производство и освоение новой продукции.

Во-вторых, (это направление применимости данной техно-

логии эксплуатируют авторы международного проекта RepRap) –

это изготовление готовых изделий на 3D принтерах по их цифро-

вым моделям, в том числе, в объемах мелкосерийного производ-

ства и/или авторского производства в домашних условиях.

Методы 3D макетирования используются при изготовлении моделей и форм для литейного производства, для ювелирной

89