3D макетирование: технологии, оборудование, материалы

99 Pages·1.985 MB·Russian

by  Бабкин О.Э.

О. Э. БАБКИН

3D МАКЕТИРОВАНИЕ:
ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ,
МАТЕРИАЛЫ

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ
2013
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ – ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

О. Э. Бабкин

3D МАКЕТИРОВАНИЕ:
ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ,
МАТЕРИАЛЫ

Монография

САНКТ – ПЕТЕРБУРГ
2013

1
УДК 7.021.23 : 678.5
ББК 32.973.26 – 04
Б12
ISBN 978-5-94760-130-5

Бабкин О.Э. 3D макетирование: технологии, оборудование,
материалы: Монография. – СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2013. –
97с.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор И.А. Толмачев,
СПбГТИ (ТУ);
кандидат технических наук А.С. Дринберг,
ООО «НИПРОИНС ЛКМ и П с ОП»

Издание посвящено изучению одного из вопросов совре-
менного инжиниринга – трехмерному проектированию объектов
различного назначения (3D макетированию).
3D макетирование относится к быстроразвивающимся, пер-
спективным технологиям и в данный момент является приори-
тетным направлением в области техники и технологии.
В монографии представлен обзор существующих на данный
момент технологий трехмерного макетирования, сделан анализ
представленного на 2013 г. оборудования и материалов.
Отдельный раздел посвящен непосредственно материалам –
фотополимеризующимся композициям, характерным особенно-
стям и способам их приготовления.
Издание рассчитано на широкий круг читателей.

Рекомендовано к изданию в качестве монографии Методи-
ческим советом факультета фотографии и технологий дизайна.
Протокол № 8 от 22 мая 2013 г.

© СПбГУКиТ, 2013
© О.Э. Бабкин, 2013

2
Оглавление

Введение………………………………………………………… 4
§ 1. Технологии, применяемые в 3D печати…………………. 7
SLA-процесс………………………………………………. 9
SGC-процесс…………………………………………….... 13
SLS-процесс………………………………………………. 14
LOM-процесс……………………………………………... 17
Прочие процессы…………………………………………. 18
§ 2. Оборудование 3D печати. 3D принтеры………………… 21
3D принтеры серии ProJet………………………………... 21
Настольные 3D принтеры серии СubeХ………………… 33
3D принтеры серии EnvisionTec…………………………. 35
§ 3. Материалы для 3D макетирования. Фотополимеры……. 39
Механизм полимеризации………………………………… 42
Состав фотополимеризующихся композиций…………… 52
Промышленные составы фотополимеризующихся
композиций………………………………………………… 65
§ 4. Проекты и перспективы развития………………………… 77
Проект RepRap…………………………………………….. 77
Проект 3D макетирования изделия по его
голографическому образу…………………………………. 82
Заключение……………………………………………………… 89
Библиографический список……………………………………. 91
Приложения …………………………………………………….. 95

3
Введение

Макетирование, в широком масштабе этого слова, пред-
ставляет собой процесс изготовления объектов из различных ма-
териалов в соответствующем масштабе. В качестве материалов
может выступать все, что имеется под рукой – гипс, глина, ка-
мень, дерево, бумага, картон, пластмасса и др. А имея реальную
физическую модель будущего изделия (иначе говоря, прототип),
можно выявить и устранить различные ошибки при корректи-
ровке любого процесса, будь то конструирование, инжиниринг
или дизайн. Кроме того, прототип изделия можно использовать в
качестве концептуальной модели для визуализации и анализа
общей конструкции – вплоть до проведения функциональных
тестов, а общая модель, в свою очередь, может понадобиться для
изготовления отдельной инструментальной оснастки. Прототип
сам по себе может применяться в маркетинговых целях (напри-
мер, в изготовлении рекламы), или в стоимостной оценке про-
цесса изготовления, или, ускорении взаимопонимания между
проектировщиками и заказчиками, что сокращает время выхода
продукта на рынок.
Современное 3D макетирование имеет широкие возможно-
сти, например, компьютерная графика. Самым наглядным, без-
условно, является 3D графический дизайн. Но более визуализи-
рованным вариантом являются объекты, полученные на 3D
принтерах, позволяющих к тому же варьировать масштаб прото-
4
типов – от реальных размеров проектируемого изделия до
уменьшенных в любых пропорциях макетов.
Характерной особенностью макетирования на 3D принтерах
(3D макетирования, быстрого прототипирования, RP, Rapid
Prototyping) является то, что изделия выполняются из современ-
ных материалов, например, антивандальных, позволяющих мно-
гократно использовать макеты без специальных условий хране-
ния и эксплуатации (тем самым снимаются ограничения по пере-
падам температур и влажности). Или биоактивных и/или биосо-
вместимых материалов, что позволяет использовать полученные
объекты в медицине, в частности – в травматологии, трансплан-
тологии и стоматологии.
Материал для печати на 3D принтерах (3D печати), заранее
выбирается в зависимости от необходимых функций. Чаще всего
это так называемые светочувствительные полимеры, или просто
– фотополимеры (правильное название – фотополимеризующие-
ся композиции, ФПК), а также композитные материалы на осно-
ве гипса, целлюлозы, керамики, крахмала, литейного порошка и
различных добавок, позволяющих обеспечить требуемую функ-
циональность материала, например, высокую точность, проч-
ность, цветность и пр.
Преимущества 3D печати по сравнению с традиционными
способами изготовления прототипов неоспоримы: 3D печать ус-
коряет и повышает точность и качество процесса макетирования,
к тому же уменьшает время разработки продукта и ускоряет его
выход на рынок, что позволяет эффективнее организовать пре-
5
зентацию новых бизнес-проектов.
В настоящее время с помощью технологии RP объёмный
прототип (макет) изготавливается с высокой точностью, в крат-
чайшие сроки и с наименьшими затратами.
Макетирование с использованием 3D принтеров – уникаль-
ная быстроразвивающаяся технология, позволяющая изготовить
модели любого уровня сложности, сводя к минимуму возмож-
ность допущения ошибки во время процесса изготовления маке-
та и резко сокращая продолжительность производственного цик-
ла.

6
§ 1. Технологии, применяемые в 3D печати

Примерно с начала 80-х гг. XX века интенсивно развивают-
ся технологии формирования трехмерных объектов без исполь-
зования механической обработки (точение, фрезерование, элек-
троэрозионная обработка, ковка, штамповка, прессовка). На се-
годняшний момент наиболее перспективными являются техноло-
гии быстрого (их еще иногда называют «оперативного») прото-
типирования, сущность которых заключается в послойном син-
тезе или послойном «выращивании» модели (или готового изде-
лия) непосредственно по электронным данным – компьютерной
CAD-модели (Computer-Aided Design). Иначе говоря, стали дос-
тупными технологии быстрого прямого преобразования компью-
терной модели в физический, осязаемый объект (сущность мето-
да отражена на рис. 1).

2

3
4
5
6
1
7
Рис.1. Послойное выращивание объекта:
1 – управляющий компьютер; 2 – лазер; 3 – акустооптический затвор;
4 – двухкоординатный (X-Y) сканатор; 5 – элеватор (Z-координата);
6 – емкость с исходным материалом (7)
7
Суть послойного выращивания объекта (рис.1) заключается
в следующем. На предварительном этапе 3D макетирования в ка-
честве исходных данных процесса создается трехмерная матема-
тическая модель изделия, представленная в формате *.STL, на-
зываемом иначе форматом стереолитографии.
В этом формате информация об объекте включает список
треугольных граней (триангулированная грань), которые описы-
вают поверхность его твердотельной модели с заданной точно-
стью. Основой непосредственно процесса макетирования являет-
ся лазер, который последовательно переводит поперечные сече-
ния модели на поверхность емкости с исходным материалом. В
зависимости от выбранного материала для макетирования изде-
лия (а выбор, как уже упоминалось ранее, ограничен только
функциональностью будущего изделия), происходит либо физи-
ческий процесс (спекание, склеивание, сплавление), либо хими-
ческая реакция (фотополимеризация). Исходный материал под
воздействием активного излучения претерпевает изменения, за-
твердевая в месте непосредственного воздействия лазера. Затем
новый слой материала наносится на уже затвердевший, и новый
контур намечается лазером, т.е. формирование изделия происхо-
дит послойно, по заданной программе. Процесс повторяется до
1
завершения построения модели.
В принятой мировой терминологии эти технологии также
известны как RP & M (Rapid Prototyping and Manufaсturing) или
__________
1 Евсеев, А.В. Послойное изготовление деталей из жидких фотополимеризующихся
композиций излучением eCl лазера [Текст]/ А.В. Евсеев, М.А. Марков // Квантовая

электроника, 1994. – Т.21, № 5. – С. 495-498.
8
просто RP (Rapid Prototyping), FFFF (Farst Free Form Fabrication),
CARP (Computer Adied Rapid Prototyping), САПР.
Макетирование на 3D принтерах (быстрое прототипирова-
ние), поскольку не требует изготовления специальной оснастки и
минимизирует ручной труд, используется для изготовления
опытных, единичных, эксклюзивных и уникальных образцов, а
также в машиностроении, электронной и электротехнической
промышленностях, полиграфии, медицине, ювелирном деле, ар-
хитектурном моделировании и т.д. В большинстве случаев его
использование приводит к получению формы или модели, кото-
рая применяется при подготовке реального производства.
В 3D печати применяются две принципиальные технологии:
лазерная и струйная. К лазерным технологиям относятся лазер-
ная печать, лазерное спекание или сплавление, и ламинирование.
К струйным технологиям относятся застывание материала при
охлаждении, полимеризация фотополимерного пластика под
действием ультрафиолета, печать на биопринтерах.

SLA-процесс

Cтереолитический SLA-процесс (Stereo Lithography
Apparatus, стереолитография) – создание трехмерной модели из-
делия (прототипа) методом послойного отверждения фотополи-
мера под воздействием луча лазера, движение которого запро-
граммировано компьютером.
Принцип был изобретен и запатентован Чарльзом Халлом
9