babkin_oe_monografiya_3d_maketirovanie
.pdfО. 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 современного инжиниринга – трехмерному проектированию объектов различного назначения (3D макетированию).
3D макетирование относится к быстроразвивающимся, перспективным технологиям и в данный момент является приоритетным 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 особенностям и способам их приготовления.
Издание рассчитано на широкий круг читателей.
Рекомендовано к изданию в качестве монографии Методическим 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 завершения построения модели.1
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