Методы и критерии 3D моделирования изделий аддитивных технологий
Бугаев Игорь Витальевич
РЕЗЮМЕ
В работе рассматриваются методы 3D моделирования, его основные типы, и критерии создания 3D модели на примере FDM печати, полученные на основе анализа данной технологии.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D моделирование, 3D печать, CAD-системы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Под понятием аддитивные технологии (Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM)) понимается технология создания изделия путём его послойного синтеза. В отличие от классических «вычитающих» методов, когда от заготовки отсекают ненужные материал, для получения необходимого изделия, объект создаётся путём добавления материала слой за слоем. Наряду, с аддитивными технологиями можно так же услышать понятие - быстрое прототипирование (Rapid Prototyping). По своей сути оно является неотъемлемой частью аддитивных технологий, которая отвечает непосредственно за процесс изготовления объекта, будь это прототип, опытный образец или серийный экземпляр. Одной из самых распространённых на данный момент аддитивных технологий является 3D-печать.
У данной технологии по сравнению с «вычитающими», есть несколько неоспоримых преимуществ:
- Экономия сырья на производстве. За счёт послойного создания изделия практически отсутствуют отходы материала. В отличии от традиционных методов, когда потери сырья могут быть в районе 70-75%;
- Отсутствие в деталях дефектов производства. Это достигается за счёт постепенного создания изделия слой за слоем;
- Изготовление изделий сложной геометрической формы. Благодаря оборудованию, применяемому в аддитивных технологиях возможно создание сборок деталей;
- Отсутствие «человеческого» фактора при изготовлении объекта. Его построение происходит в полностью автоматическом режиме;
- Скорость изготовления объекта от прототипа до серийного образца[1].
Рассмотрим несколько самых распространённых методик создания изделий на 3D - принтере:
- SLS (Selective Laser Sintering) — Выборочное лазерное спекание. Технология основана на последовательном спекании слоёв порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности.
- SLM (Selective Laser Melting) — Выборочная лазерная плавка. В данном случаи создание объекта происходит за счёт сплавление металлических порошков.
- SLA (сокращенно от StereoLithography) — Стереолитография. Создание моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счёт облучения её лазером.
- MJM (Multi-Jet Modeling) — Технология много струйного моделирования. В данной технологии главную роль играет уникальная печатающая головка. Она содержит тончайшие сопла, количество которых может достигать до 448 штук. Данная технология использует термопластичный материал — твердый воск.
- CJP (Color Jet Printing) — Цветная струйная печать. Технология подразумевает нанесение тонких слоёв порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего полимера.
- FDM (Fused Deposition Modeling) — Моделирование методом послойного наплавления. Создание трёхмерных объектов происходит за счёт нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели.
У данной технологии по сравнению с «вычитающими», есть несколько неоспоримых преимуществ:
- Экономия сырья на производстве. За счёт послойного создания изделия практически отсутствуют отходы материала. В отличии от традиционных методов, когда потери сырья могут быть в районе 70-75%;
- Отсутствие в деталях дефектов производства. Это достигается за счёт постепенного создания изделия слой за слоем;
- Изготовление изделий сложной геометрической формы. Благодаря оборудованию, применяемому в аддитивных технологиях возможно создание сборок деталей;
- Отсутствие «человеческого» фактора при изготовлении объекта. Его построение происходит в полностью автоматическом режиме;
- Скорость изготовления объекта от прототипа до серийного образца[1].
Рассмотрим несколько самых распространённых методик создания изделий на 3D - принтере:
- SLS (Selective Laser Sintering) — Выборочное лазерное спекание. Технология основана на последовательном спекании слоёв порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности.
- SLM (Selective Laser Melting) — Выборочная лазерная плавка. В данном случаи создание объекта происходит за счёт сплавление металлических порошков.
- SLA (сокращенно от StereoLithography) — Стереолитография. Создание моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счёт облучения её лазером.
- MJM (Multi-Jet Modeling) — Технология много струйного моделирования. В данной технологии главную роль играет уникальная печатающая головка. Она содержит тончайшие сопла, количество которых может достигать до 448 штук. Данная технология использует термопластичный материал — твердый воск.
- CJP (Color Jet Printing) — Цветная струйная печать. Технология подразумевает нанесение тонких слоёв порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего полимера.
- FDM (Fused Deposition Modeling) — Моделирование методом послойного наплавления. Создание трёхмерных объектов происходит за счёт нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели.
2. ТИПЫ И КРИТЕРИИ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
Для создания 3D модели любого объекта используются CAD-системы (CAD/CAM-системы) при помощи заложенных в них алгоритмов и средств геометрического моделирования. Полученная модель представляет собой математическое описание изделия, хранящееся в памяти компьютера. Его визуальная интерпретация в виде пространственного объекта, отображается на экране монитора. Такая модель может отображаться в нескольких видах: 1) в каркасном; 2) с удалением невидимых линий; 3) в полутоновом.
Правильное построение геометрической модели изделия является очень важной задачей, т.к. эта модель в дальнейшем будет использоваться для решения инженерных задач в САЕ-системах в зависимости от эксплуатационного характера будущего объекта. Но так же не стоит забывать, что данная модель будет представлять собой прообраз будущего изделия, которое будет произведено на 3D- принтере.
Кратко рассмотрим три основных типа моделирования:
Поверхностное моделировании представляет собой процесс построения каркасно-поверхностной конструкции. Каркас в данном случае вспомогательный объект и является основой для построения поверхностей, которые «натягиваются» на его элементы. В данном режиме конструирования, полученные поверхности и определяют границы тела, но как таковое понятие «тело» отсутствует, даже если поверхности ограниченны замкнутым объёмом. Ещё одна не маловажная особенность данного типа в том, что элементы каркасно-поверхностной модели никак не связаны друг с другом. Благодаря чему приобретается свобода при моделирование, т.к. изменяя одну из точек мы знаем, что модель у нас не изменится.
Твердотельное моделирование представляет собой процесс построения целостного объекта, занимающею замкнутую часть пространства. Вследствие чего всегда можно сказать, где находится та или иная точка объекта (внутри; на поверхности; вне тела). При изменении одного из элементов в модели, за ним будут изменяться все связанные элементы. Изменится форма твёрдого тела, но сохранится целостность объекта, в общем. Твердотельный объект строится путём последовательного “добавления” или “вычитания” элементов. Твердотельное моделирование предоставляет возможность установки параметрических зависимостей между элементами твёрдого тела или нескольких тел. Если изменить один из элементов тела, то автоматически изменится и вся модель в целом. Данная возможность даёт больше свободы инженеру в создание модели.
Гибридное моделирование представляет собой симбиоз работы с твердотельными объектами и с поверхностями. Благодаря чему сочетаются все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы.[2].
Благодаря универсальности CAD-систем создание и редактирование 3D моделей можно выполнять в смежных системах, в независимости от того в какой она была спроектирована.
Для правильного моделирования изделий аддитивных технологий следует понимать специфику создания объекта на 3D-принтере. Перечислим основные этапы создания модели:
‒ создание цифровой модели изделия. Возможно создание компьютерной модели изделия, на основание 3D-скана объекта;
‒ экспорт 3D-модели в STL-формат;
‒ генерация G-кода;
‒ подготовка 3D-принтера к работе;
‒ печать 3D-объекта;
‒ финишная обработка объекта.
Рассмотрим каждый этап подробнее:
- Создание цифровой модели изделия. На данном этапе при помощи системы трёхмерного геометрического моделирования (3D Computer Aided Design (CAD)) создаётся компьютерная модель будущего изделия [2]. Так же возможно создание компьютерной модели изделия, на основание 3D-скана объекта.
- Экспорт 3D-модели в STL-формат. Это специальный формат созданный для 3D печати, он описывает треугольники, составляющие контуры любого объекта.
- Генерация G-кода. Создаётся набор, представляющих собой, нарезку цифровой модели на отдельные слои с преобразованием данных в инструкции для работы принтера.
- Подготовка 3D-принтера к работе. Данный этап может немного отличатся в зависимости от типа печати, но в основном все схоже и представляет собой загрузку материала, калибровку позиционирования печатного сопла.
- Печать 3D-объекта. Непосредственно происходит создание изделия путём послойного синтеза материала.
- Финишная обработка объекта. Полировка, шлифовка объекта. Обычно для этих целей используют автоматический пескоструйный аппарат или ручную обработку наждачной бумагой мелкой зернистости.
Как таковых правил для создания 3D модели в аддитивных технологиях нет, но есть те критерии и параметры, которые нужно соблюдать для получения изделия высокого качества. Рассмотрим такие критерии для FDM печати, полученные на основе анализа данной технологии экспертами.
Основные критерии для создания 3D модели изделия аддитивных технологий:
Критерий 1- Материал. Взависимости от материала определяются основные прочностные характеристики будущего изделия.
Критерий 2 - Плоское основание. Плоское основание необходимо для того что бы модель объекта лучше держалась на рабочей плоскости 3D-принтера во избежание процесса деламинации. Если этого не сделать есть вероятность нарушения геометрии объекта, за счёт смещения его по координатным осям.
Критерий 3 - Толщина стенок. Толщина стенок должна быть равной или толще диаметра сопла печатающей головки. В случаи несоблюдения данного критерия велика вероятность, не состоятельности всей модели в целом. Т. е. толщина стенки должна быть кратна диаметру сопла, если она меньше N * d, где N – количество периметров, d – диаметр сопла.
Критерий 4 - Минимум нависающих элементов. Чтобы печатаемый объект не сложился во время печати, для нависающих элементов нужна поддержка. Но поддержка тратит время и доп. материал при печати. Так же портит поверхность объекта. Во избежание данной проблемы требуется минимизировать нависающие элементы.
Критерий 5 - Точность. Один из важнейших критериев. Нужно понимать, что материал при остывании может дать усадку или наоборот расширится, вследствие этого обязательно либо увеличить размер модели или уменьшить, на основе экспертной базы данных поведения материала при остывании.
Критерий 6 - Мелкие детали. Из-за особенностей FDM печати мелкие детали сложно сделать. Это обусловлено минимальным размером сопла.
Критерий 7 - Узкие места. Из-за сложности обработки узких мест при печати, следует их избегать.
Критерий 8 - Размер модели. При моделировании стоит учитывать максимально возможные размеры печати. Если модель больше, ее следует разделить на несколько деталей.
Критерий 9 - Расположение на рабочем столе. Для того чтобы прочность объекта была выше, обязательно распределить печать поперёк, а не вдоль[3].
Для более наглядного примера важности соблюдения критериев, рассмотрим возможный вариант оценки по данным критериям, для создания изделия аддитивным путём, в нашем случае FDM печать. В нашем случае таковым изделием будет пластиковый уголок для мебели.
Данный уголок будут применять для скрепления двух поверхностей между собой, и он должен соответствовать следующим требованиям:
Правильное построение геометрической модели изделия является очень важной задачей, т.к. эта модель в дальнейшем будет использоваться для решения инженерных задач в САЕ-системах в зависимости от эксплуатационного характера будущего объекта. Но так же не стоит забывать, что данная модель будет представлять собой прообраз будущего изделия, которое будет произведено на 3D- принтере.
Кратко рассмотрим три основных типа моделирования:
Поверхностное моделировании представляет собой процесс построения каркасно-поверхностной конструкции. Каркас в данном случае вспомогательный объект и является основой для построения поверхностей, которые «натягиваются» на его элементы. В данном режиме конструирования, полученные поверхности и определяют границы тела, но как таковое понятие «тело» отсутствует, даже если поверхности ограниченны замкнутым объёмом. Ещё одна не маловажная особенность данного типа в том, что элементы каркасно-поверхностной модели никак не связаны друг с другом. Благодаря чему приобретается свобода при моделирование, т.к. изменяя одну из точек мы знаем, что модель у нас не изменится.
Твердотельное моделирование представляет собой процесс построения целостного объекта, занимающею замкнутую часть пространства. Вследствие чего всегда можно сказать, где находится та или иная точка объекта (внутри; на поверхности; вне тела). При изменении одного из элементов в модели, за ним будут изменяться все связанные элементы. Изменится форма твёрдого тела, но сохранится целостность объекта, в общем. Твердотельный объект строится путём последовательного “добавления” или “вычитания” элементов. Твердотельное моделирование предоставляет возможность установки параметрических зависимостей между элементами твёрдого тела или нескольких тел. Если изменить один из элементов тела, то автоматически изменится и вся модель в целом. Данная возможность даёт больше свободы инженеру в создание модели.
Гибридное моделирование представляет собой симбиоз работы с твердотельными объектами и с поверхностями. Благодаря чему сочетаются все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы.[2].
Благодаря универсальности CAD-систем создание и редактирование 3D моделей можно выполнять в смежных системах, в независимости от того в какой она была спроектирована.
Для правильного моделирования изделий аддитивных технологий следует понимать специфику создания объекта на 3D-принтере. Перечислим основные этапы создания модели:
‒ создание цифровой модели изделия. Возможно создание компьютерной модели изделия, на основание 3D-скана объекта;
‒ экспорт 3D-модели в STL-формат;
‒ генерация G-кода;
‒ подготовка 3D-принтера к работе;
‒ печать 3D-объекта;
‒ финишная обработка объекта.
Рассмотрим каждый этап подробнее:
- Создание цифровой модели изделия. На данном этапе при помощи системы трёхмерного геометрического моделирования (3D Computer Aided Design (CAD)) создаётся компьютерная модель будущего изделия [2]. Так же возможно создание компьютерной модели изделия, на основание 3D-скана объекта.
- Экспорт 3D-модели в STL-формат. Это специальный формат созданный для 3D печати, он описывает треугольники, составляющие контуры любого объекта.
- Генерация G-кода. Создаётся набор, представляющих собой, нарезку цифровой модели на отдельные слои с преобразованием данных в инструкции для работы принтера.
- Подготовка 3D-принтера к работе. Данный этап может немного отличатся в зависимости от типа печати, но в основном все схоже и представляет собой загрузку материала, калибровку позиционирования печатного сопла.
- Печать 3D-объекта. Непосредственно происходит создание изделия путём послойного синтеза материала.
- Финишная обработка объекта. Полировка, шлифовка объекта. Обычно для этих целей используют автоматический пескоструйный аппарат или ручную обработку наждачной бумагой мелкой зернистости.
Как таковых правил для создания 3D модели в аддитивных технологиях нет, но есть те критерии и параметры, которые нужно соблюдать для получения изделия высокого качества. Рассмотрим такие критерии для FDM печати, полученные на основе анализа данной технологии экспертами.
Основные критерии для создания 3D модели изделия аддитивных технологий:
Критерий 1- Материал. Взависимости от материала определяются основные прочностные характеристики будущего изделия.
Критерий 2 - Плоское основание. Плоское основание необходимо для того что бы модель объекта лучше держалась на рабочей плоскости 3D-принтера во избежание процесса деламинации. Если этого не сделать есть вероятность нарушения геометрии объекта, за счёт смещения его по координатным осям.
Критерий 3 - Толщина стенок. Толщина стенок должна быть равной или толще диаметра сопла печатающей головки. В случаи несоблюдения данного критерия велика вероятность, не состоятельности всей модели в целом. Т. е. толщина стенки должна быть кратна диаметру сопла, если она меньше N * d, где N – количество периметров, d – диаметр сопла.
Критерий 4 - Минимум нависающих элементов. Чтобы печатаемый объект не сложился во время печати, для нависающих элементов нужна поддержка. Но поддержка тратит время и доп. материал при печати. Так же портит поверхность объекта. Во избежание данной проблемы требуется минимизировать нависающие элементы.
Критерий 5 - Точность. Один из важнейших критериев. Нужно понимать, что материал при остывании может дать усадку или наоборот расширится, вследствие этого обязательно либо увеличить размер модели или уменьшить, на основе экспертной базы данных поведения материала при остывании.
Критерий 6 - Мелкие детали. Из-за особенностей FDM печати мелкие детали сложно сделать. Это обусловлено минимальным размером сопла.
Критерий 7 - Узкие места. Из-за сложности обработки узких мест при печати, следует их избегать.
Критерий 8 - Размер модели. При моделировании стоит учитывать максимально возможные размеры печати. Если модель больше, ее следует разделить на несколько деталей.
Критерий 9 - Расположение на рабочем столе. Для того чтобы прочность объекта была выше, обязательно распределить печать поперёк, а не вдоль[3].
Для более наглядного примера важности соблюдения критериев, рассмотрим возможный вариант оценки по данным критериям, для создания изделия аддитивным путём, в нашем случае FDM печать. В нашем случае таковым изделием будет пластиковый уголок для мебели.
Данный уголок будут применять для скрепления двух поверхностей между собой, и он должен соответствовать следующим требованиям:
- Толщина стенки (t) – 0,3 см
- Длина=Ширина (b) – 5 см
- Материал – ABS пластик
- Прочность на разрыв – 67 Мпа
Для оценки данного изделия нужно на основании представленных требований составить таблицу веса критериев создания 3D модели уголка. Каждый критерий имеет свой вес, но общий вес критериев равен 1. Вес критериев может варьироваться в зависимости от поставленной задачи. Каждый критерий для удобства оценивается исходя из оценки от 0 до 10 баллов. Далее по каждому критерию проводится расчёт оценки критерия исходя из поставленного балла. В итоге все оценки критериев суммируются, и выводится итоговый балл.
Таблица 1.
| Наименование критерия | Вес критерия |
Оценка в баллах |
Оценка критерия |
| Материал | 0,25 | 0 | 0 |
| Плоское основание | 0,10 | 10 | 0,10 |
| Толщина стенок | 0,20 | 8 | 0,12 |
| Минимум нависающих элементов | 0,05 | 9 | 0,045 |
| Точность | 0,15 | 10 | 0,15 |
| Мелкие детали | 0,05 | 9 | 0,045 |
| Узкие места | 0,05 | 9 | 0,045 |
| Размер модели | 0,05 | 10 | 0,05 |
| Расположение на рабочем столе | 0,10 | 1 | 0,10 |
| Итоговая оценка | 0,695 | ||
Критерий 1- Материал. В заданных требованиях было указанно, что должен использоваться ABS пластик, в свою очередь была указана прочность на разрыв составляет 67 Мпа. Такую прочность на разрыв ABS пластик показать не может, прочностные характеристики данного материала на разрыв варьируются от 36 до 41 Мпа. В следствие чего оценка по данному критерию 0.
Критерий 2 - Плоское основание. К данному критерию претензий нет, оно выполняется в полном объёме. Оценка по данному критерию 10.
Критерий 3 - Толщина стенок. В соответствие с условием толщина стенки должна быть 0,3 см. Исполнение данного критерия варьируется типом установки и размером сопла экструдера, в данном случае все находится в допустимых рамках. Оценка по данному критерию 8.
Критерий 4 - Минимум нависающих элементов. Как таковые нависающие элементы в данной задачи отсутствуют. Оценка по данному критерию 9.
Критерий 5 - Точность. При остывание данный тип материала не даёт усадки. Оценка по данному критерию 10.
Критерий 6 - Мелкие детали. Отсутствие мелких деталей. Оценка по данному критерию 9.
Критерий 7 - Узкие места.Отсутствие узких мест. Оценка по данному критерию 9.
Критерий 8 - Размер модели. Модель не большого размера. Оценка по данному критерию 10.
Критерий 9 - Расположение на рабочем столе. Из-за данного позиционирования изделие не сможет показатель максимального значения прочности при скреплении двух деталей между собой, за счёт расположения слоёв материала. Оценка по данному критерию 1.
Итоговая оценка 0.695. Данная оценка является низкой. Рекомендуется изменить материал на ULTEM 9085, PC, FDM Nylon 12. Данные материалы смогут обеспечить требуемую прочность на разрыв. Так же рекомендуется позиционирование объекта, на рабочем столе повернув объект по оси z на 90 градусов. Благодаря этому достигается более высокая жёсткость конструкции изделия, за счёт расположения слоёв.
Роль методов 3D моделирования изделий аддитивных технологий, очень высока. Правильный выбор типа моделирования, с помощью которого создаётся будущая 3D модель в CAD пакете, при соблюдении критериев и определённых параметров, предъявляемых к 3D модели в зависимости от типа печати, является залогом успеха всего проекта в целом.
ЛИТЕРАТУРА
- Бугаев И.В. Роль компьютерного моделирования в аддитивных технологиях.Международный научно-исследовательский журнал – Екатеринбург, 2016. – С. 64–67.
- Бугаев И.В. Антропов В.В. Универсальность методов комплексной оценки параметров. Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции. Чебоксары 2016 – С. 211- 215
- Е.И. Яблочников, Д.Д. Куликов, В.И. Молочник. Моделирование приборов, систем и производственных процессов. Учебное пособие – СПб: СПбГУИТМО, 2008. – 156 с.
