Изготовление моделей на 30-принтере

Изготовление модели в керамическом производстве для серийного производства — длинный и дорогостоящий путь. Сначала виртуально создается модель изделия. Затем ее изготавливает художник, после чего модель дорабатывается модельщиком. С нее снимают форму и отливают небольшую партию, чтобы установить, насколько изделие технологично. В дальнейшем модель и изделие могут несколько раз дорабатываться, пока его не направят в производство.

Такой способ довольно трудоемок и имеет явные недостатки: он требует времени, финансовых затрат, огромных затрат рабочей силы, не исключает человеческий фактор и нс дает нужной точности готового изделия.

Таким образом, изготовление подобных гипсовых форм стоит дорого и занимает много времени. Если же речь идет о мелкой серии, то изготовление гипсовых форм сильно повышает их себестоимость. На сегодня одна из новых технологий — быстрое прототипирование или трехмерная печать — позволяет во много раз сократить себестоимость изделий п время их изготовления, что особенно актуально при разработке нескольких моделей для мелкосерийного производства. Для этого достаточно разработать компьютерную ЗО-модель изделия с помощью современных ЗО-компьютерных программ, которые позволяют спроектировать модель любой сложности, и распечатать эту модель на 3D-принтере, затем изготовить по ней гипсовую форму и готовые изделия. Весь процесс будет занимать не более 10 дней вместо двух-четырех месяцев.

Для изготовления моделей используют современные компьютерные программы трехмерного (3D) компьютерного автоматизированного проектирования (CAD — Computer Aided Design: 3D StudioMax, SolidWorks, AutoCAD) и изготовления (CAM — Computer Aided Manufacturing), программы растровой и векторной графики, такие как AutoCAD (AutoDesk), SketchBook Pro, 3design CAD, Alias, Autodesk Alias Surface (Autodesk), Product Design Suite (Autodesk), Компас 3D (Аскон), Т-Flex (Топ Системы), SprutCAD (СПРУТ Технология), SolidWorks (SolidWorks Corp.).

Появились бесплатные веб-сервисы, позволяющие проектировать модель, например веб-сервис Adobe Photoshop Creative Cloud, Autodesk Shapeshifter, бесплатный онлайн-редактор Tinkercad, бесплатное программное обесенечение (ПО) от Google SketchUpPro. ЗО-модели можно создавать жестами в новом бесплатном ПО Freeform (Leap Motion), и появились даже программы оцифровки обыкновенных фотографий. В программе открывают обычную фотографию объекта, тремя штрихами обозначается каждое из трех измерений объекта и по ним уже в компьютере создается его 3D-MOдель. Она вписывается в фотографию, чтобы проверить правильность оцифровки.

Эти программы открывают огромные возможности перед профессиональными пользователями для решения сложных задач, связанных с построением различных поверхностей. В них имеются обширная внутренняя база библиотек и развитый инструментарий для работы с ними. Полученные ЗО-объекты можно исправлять и изменять, вращая на экране монитора, видеть и исправлять все неточности построения.

Модели, напечатанные на ЗО-принтере, могут использоваться в качестве моделей при изготовлении гипсовых форм для шликерного литья. Современные ЗО-технологии позволяют сократить длинную технологическую цепочку, что дает возможность контролировать качество модели еще на стадии разработки, повысить качество готового изделия и сократить сроки его изготовления.

Большинство аддитивных технологий, применяемых для изготовления модели для керамического производства или печати готового керамического изделия, представлены в табл. 10.2.

Классификация аддитивных технологий, применяемых в керамическом.

Таблица 10.2

производстве, по основным параметрам.

Рассмотрим технологию трехмерной печати, наиболее часто использующуюся при изготовлении моделей для керамического производства — 3DP (three-dimensional printing). Печать проводят гипсовыми порошками, но струйной или, как ее еще называют, ink-jet-технологии, основанной на связывании материала в предварительно заданных местах специальным клеящим веществом. Такой метод прототипирования относится к категории разбрызгивания (впрыскивания) связующего (binder jetting).

На рис. 10.5 обозначена общая схема ЗО-принтера. Перед началом печати ЗЕ)-модель нужного объекта должна быть «разрезана» САПР-программой^[1] на горизонтальные слои.

Если рассмотреть ее подробнее, то печать происходит следующим способом. Камера построения ЗО-принтера состоит из двух частей: в первой находится материал, из которого будет «выращиваться» модель, во второй — происходит сам процесс. Для начала в компьютер, подсоединенный посредством Ethernet-кабеля к принтеру, загружается CAD-модель, которая «разрезается» на горизонтальные слои толщиной около 0,1 мм. Их форма передается на печать в специальном G-коде. Далее на специальную платформу выравнивающим роликом наносится тонкий слой порошкообразного материала (гипс, полимеры, песок, металл). С помощью печатающей головки происходит распыление связующего вещества (клей, вода, специальная смесь) но координатам границ первого слоя, полученным с компьютера.

Далее платформа с моделью опускается на толщину слоя вниз, а камера со строительным веществом поднимается на такое же расстояние вверх. Далее ролик раскатывает следующий слой, и процесс повторяется. После окончания ЗИ-печати изделие извлекают из слоя порошка и тщательно очищают от его остатков.

Модели, изготовленные таким способом из гипса, можно очень быстро визуализировать: скорость построения деталей высокая — около 6 мм по высоте в час, при размере рабочей зоны 780×400 мм. Это составляет 1780 см³,.

Рис. 10.5. Схема ЗЭР-печати:

1 — загрузка порошка; 2 — выравнивающий ролик; 3 — система подачи жидкого клея; 4 — струйная печатающая головка; 5 — печатающаяся модель; 6 — слой порошка; 7 — поршень; 8 — поршень подачи порошка что на порядок превосходит лазерные технологии быстрого прототипирования при сравнительно небольшой стоимости расходных материалов. После отвердевания изделие можно легко обработать (склеить, окрасить и т. д.).

К недостаткам относятся хрупкость (не слишком высокая прочность) получаемых моделей из гипса и их разрушение после снятия с них гипсовой формы.

Автором была проанализирована возможность получения гипсовой формы посредством печати на ЗЕ)-принтере. Способом ЗВР-нечати было изготовлено несколько гипсовых форм однои двухкусковых для шликерного литья (рис. 10.6)^[2]. При изготовлении двухкусковой и более формы сложность возникала при проектировании замков, которые должны были точно совпадать при соединении частей гипсовой формы.

Рис. 10.6. Распечатанные половинки формы и заливка шликера

Распечатанные на ЗВ-принтере формы выдерживали от пяти до десяти заливок в зависимости от сложности формы и времени выдержки шликера. Поэтому можно рекомендовать такой способ для получения небольших партий керамических изделий. Например, при изготовлении срочного заказа, когда можно избежать длительного периода изготовления модели и гипсовой формы, сразу распечатать несколько гипсовых форм и отлить небольшую партию керамических изделий.

Такой способ целесообразен при изготовлении нескольких изделий с небольшими изменениями, например отливки чашек с различными вариантами ручек, для определения технологичности изделия.

В лабораторных условиях в полученные формы заливали фаянсовую и майоликовую массу (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Извлеченная фаянсовая отливка из распечатанной формы

Удобство заключается в том, что в процессе разработки можно сразу распечатать несколько форм с различными вариантами и отлить такие изделия. После обжига можно сравнить и выбрать наиболее понравившееся изделие. Аддитивные технологии позволяют быстро и гибко переключиться на обеспечение индивидуальных требований заказчика.

Возможности ЗП-печати практически безграничны. Благодаря трехмерной печати реставраторы получили возможность создавать копии музейных керамических изделий. Создание моделей керамических изделий позволяет оценить эргономику, функциональность и внешний вид будущего изделия; увидеть и отметить недостатки и преимущества нового изделия (рис. 10.8 и 10.9).

Рис. 10.8. ЗО-модель корабля. Рис. 10.9. ЗЭ-модель маяка.

Работа студента А. Таканова Работа студента Д. Придатко

Такой способ, как ЗП-печать, позволяет увидеть и протестировать керамическое изделие на этапе разработки. Изготовление гипсовых форм позволяет в два раза сократить технологический процесс. Способ помогает быстро изготавливать модели, единичные или ограниченные серии изделий из керамических материалов. Он необходим крупным предприятиям, внедряющим новые изделия, а также единичным и мелкосерийным керамическим производствам.

Тем не менее технологии ЗП-печати еще не идеальны. Одна из проблем трехмерной печати — та, что изделия, полученные этим методом, зачастую обладают грубостью форм, отсутствием пластичности и рукотворное™. Но и здесь ведется активная работа. Создаются новые компьютерные программы, подрастают новые кадры, которые в скором времени смогут и нарисовать на компьютере, и слепить вручную.

Другая проблема может возникнуть при печати. Например, принтер, печатая несколько деталей одновременно, может напечатать их сцепленными между собой, что является недостатком. Кроме того, из-за послойного построения детали нижний слой может не выдержать тяжести верхних слоев, и в этом случае может произойти разрушение модели. Перед печатью необходимо тщательно проработать компьютерную модель, чтобы результат получился таким, каким его желают увидеть.

Распространение аддитивных технологий как способа ускоренной подготовки модели пока не носит тотального характера на керамических производствах, так как ЗП-печать имеет преимущество только при работе с моделями со сложными формами.

• [1] САПР — система автоматизированного проектирования.
• [2] Личный архив Ю. А. Бойко.