Он работал субтрактивно с тех пор, как человек начал работать с материалом: он берет кусок дерева, камня или металла и удаляет материал, пока не будет достигнута желаемая форма. Это относится к человеку каменного века с его ручным топором, а также к фрезерному станку с ЧПУ в его обрабатывающем центре. Два момента очень важны: в начале почти всегда существует сплошной, однородный блок материала, и это обрабатывается извне, что, в свою очередь, означает, что большие области компонента не могут быть достигнуты или обработаны.
Компоненты дизайна почти полностью свободно
Мир дизайна полностью изменился с появлением аддитивных технологий: поскольку объекты в 3D-печати строятся слоями, можно достичь каждой точки компонента. Таким образом, интерьер может быть разработан почти полностью свободно. Это создает интересные варианты дизайна. Многие устройства, особенно в нижнем ценовом сегменте, печатают более или менее полые модели 3D-печати. Внутренние структуры стабилизируют относительно тонкий верхний слой, так что при небольшой потере прочности можно сэкономить много материала и, следовательно, вес, а также время печати.
Картинная галерея
Картинная галерея с 6 картинками
Внутренняя структура влияет на свойства компонентов
Это внутреннее структурирование реализовано относительно примитивно в устройствах для хобби - вы можете выбрать между двумя или тремя шаблонами внутренней структуры, и можно определить процент заполнения. Шаблон одинаков во всех слоях, поэтому в случае шаблона сетки ступени сетки проходят через модель как стены снизу вверх. Между тем, существуют также решения, которые создают трехмерные узоры, так что стены внутри образуют кубики.
Эта техника становится еще более интересной, если вы моделируете геометрию, с которой полости частично заполняются таким образом, что возникают определенные свойства. Часто используются решетчатые конструкции, состоящие из пирамидальных распорок. Эти структуры приводят к хорошему компромиссу между низким расходом материала и достойными значениями прочности во всех направлениях.
Встреча пользователей облегченной конструкции
Легкая конструкция экономит ресурсы и вес и больше не играет важной роли в автомобильной промышленности. Совещание пользователей облегченной конструкции объясняет, как конструкции становятся легкими, но при этом стабильными, и какие преимущества они приносят
Различные свойства материала из-за распорок разной толщины
Autodesk много лет назад экспериментировал с такими конструкциями, в которых толщина распорок была специально отрегулирована. Образец заготовки представлял собой сэндвич-мат из двух внешних слоев с решетчатой структурой между слоями. При печати из мягкого пластика можно было создать разные свойства материала в одной заготовке: более толстые распорки делали печатный мат более жестким, более тонкие распорки давали больше, так что там мат становился мягче.
Применение в медицинской технике
Autodesk также предоставил сценарий применения для такого коврика: в ортопедии прокладка культи протеза ноги является очень трудоемкой работой, поскольку в зависимости от формы остающегося куска ноги пациента некоторые области должны быть более мягкими, а другие отвердители должны быть дополнены. Сегодня эта обивка с большим опытом изготавливается специалистом-ортопедом из разных материалов обивки - мат с 3D-печатью с регулировкой жесткости можно было бы сделать быстрее, дешевле и, что самое главное, точно воспроизвести в любой момент.
Задача для систем CAD
В этом примере показано, как можно целенаправленно влиять на свойства материала, воздействуя на внутреннюю структуру детали - по-разному в каждой точке модели. До недавнего времени такие решетчатые структуры представляли CAD-системы с почти неразрешимыми проблемами, поскольку расчет и отображение таких сложных структур требовали очень высокой вычислительной мощности. По этой причине такие внутренние структуры, обычно называемые решеткой, обычно интегрируются в трехмерную модель в виде очень быстро отображаемой модели STL. STL, с другой стороны, представляет собой формат данных, который впоследствии очень трудно изменить, поскольку треугольники, которые определяют поверхность трехмерного компонента, хранятся в абсолютно неупорядоченном виде в файле STL.
Проблема: если вы поместите «блок» STL сетки в полость модели CAD, геометрия STL должна быть адаптирована к форме полости, то есть вырезать. Лишь немногие системы САПР освоили обработку этой модели STL и занимаются этим всего два или три года. Функции, позволяющие тестировать 3D-модели с такими урезанными решетками STL на прочность в программном обеспечении для моделирования, появились еще раньше. Очень немногие системы моделирования могут сделать это.
Подсказка к книге
В книге «Аддитивное производство» описаны основы и практико-ориентированные методы использования аддитивного производства в промышленности. Книга предназначена для дизайнеров и разработчиков, чтобы поддержать успешное внедрение аддитивных процессов в своих компаниях.
3D-принтеры различаются по используемому материалу
Однако технология 3D-принтеров не стоит на месте, и в течение некоторого времени были предложены устройства, которые не создают различных свойств материала через обход геометрии, но фактически изменяют материал во время печати. Эти принтеры работают с печатными устройствами, так как они используются в струйных принтерах в той же или аналогичной форме. Например, компоненты, сделанные из разноцветной и прозрачной смолы, могут быть собраны так, чтобы вы могли смотреть на объект. Также возможно, например, изменить твердость по Шору материала, применяя крошечные капли более твердого и более мягкого материала в другой смеси.
Дополнительная информация по теме многоструйной 3D печати: по капле
Описанный процесс 3D-печати называется Stratasys Polyjet и 3D Systems Multijet. В обоих процессах жидкие фотополимеры, которые отверждаются в ультрафиолетовом свете, распыляются на строительной платформе через печатающую головку. Печатающая головка очень похожа на головки струйных принтеров и может точно позиционировать большое количество мелких капель. Подобно тому, как струйный принтер смешивает цвета из основных цветов CMYK, фотополимеры могут быть «смешаны», и, таким образом, свойства материала могут быть конкретно определены. HP предлагает аналогичный процесс со своими принтерами Jet Fusion, при котором порошковый материал «печатается» с использованием жидкостей. В настоящее время распыляется только одно связующее и одно не связующее, что определяет, слипается ли порошок в одном месте или нет. В исследованиях, однако, цветные жидкости уже в фокусе, другие жидкости, которые влияют на свойства, безусловно, также возможны с этой технологией.
Применение: Демпферные блоки от Boge
Простой пример показывает, насколько выгодно использовать эту технологию: вибрационные демпферы используются во многих местах в машинах и транспортных средствах, которые состоят из резиновой части и вулканизированных металлических пластин с резьбой или шпильками. Демпферы сайлентблоков, производимые и продаваемые компанией Boge, дали название всему ассортименту. Типичной областью применения является установка двигателей, чтобы отделить их вибрации от окружающей среды. Эти блоки демпфера почти всегда выходят из строя в одном и том же месте: металлические диски отрываются от резины, потому что вибрации на переходе между мягкой резиной и твердым металлом оказывают разрушающее воздействие - фундаментальные знания в области машиностроения - проблемы возникают в местах, где свойства материала сильно изменяются жестяная банка.
С помощью подходящего 3D-принтера, например, из семейства Polyjet из Stratasys или семейства Multijet из 3D Systems, можно печатать детали, в которых свойства материала не меняются радикально в одном месте, но планируется постепенный переход - шпильки жесткие, в зоне между ними материал становится мягче к середине. Это означает, что пики напряжения не образуются, а детали работают дольше.
Такие специально используемые свойства материала также имеют большое преимущество для функциональной интеграции. Мотоциклетные седла могут быть легко интегрированы в обтекатель, а пленочные петли, которые сегодня часто используются в литых деталях, могут быть сделаны более прочными.
Не определяется в системе CAD
Но как вы определяете такие компоненты в системе CAD? Ответ в настоящее время: совсем нет. Поскольку базовое ядро САПР, которое содержит математику, с помощью которой 3D-геометрия сохраняется и сохраняется для отображения на экране, определяет только внешние поверхности модели. В своей базовой математической форме каждая модель САПР представляет собой набор поверхностей, которые включают объем. Этот объем сам по себе не определен в модели CAD.
Системы CAD используют различные приемы, чтобы скрыть этот факт, поэтому, когда вы делаете разрез через компонент, открытая поверхность разреза оптически закрыта для визуализации. Материал, из которого должна быть изготовлена деталь, сохраняется в метаданных, поэтому он не связан с геометрией. Таким образом, современные системы САПР не имеют возможности определять свойства материала по отношению к отдельным областям геометрии.
Обход с помощью функции нескольких тел
В настоящее время в качестве обходного пути часто используется многотельная функциональность современных систем САПР, в которой области с различными свойствами материала определяются как геометрия, но сохраняются вместе в файле компонента. Этот подход имеет несколько недостатков. Самое главное, что такие постепенные изменения свойств не могут быть отображены. Кроме того, эта процедура является и остается опорой, которая может привести к нежелательным последствиям в других местах во времена, когда данные САПР продолжают поступать в самые разнообразные последующие процессы. Определение части должно быть полным и всеобъемлющим, иначе цифровой близнец не имеет смысла!
Каждой точке объекта нужны свои метаданные
Это может быть исправлено методами представления геометрии, которые позволяют назначать каждой точке объекта свои собственные метаданные. В принципе, это не что иное, как введение третьего измерения в растровые изображения. В большинстве форматов изображений, таких как.jpg"
Решение в поле зрения
Недостатки этой воксельной технологии - аналогичны пиксельным изображениям - заданному разрешению и эффектам лестницы: если вы увеличиваете масштаб детали, структура вокселя становится видимой в некоторой точке, и лестницы создаются по наклонным краям вместо гладкой поверхности. И последнее, но не менее важное: этот процесс требует большого объема памяти и вычислительных ресурсов при высоком разрешении.
В IGD Института Фраунгофера ведутся исследования по подходу подразделения (1), который обещает более гибкое деление и меньшее влияние на качество геометрии. Используется технология моделирования подразделений, и метаинформация привязывается не к геометрическим точкам, а к контрольным точкам поверхностей. Хотя эти контрольные точки связаны с точкой в модели, количество контрольных точек не меняет геометрию, поскольку они управляют поверхностями и не определяют угловые точки.
Задача для поставщиков САПР и производителей 3D-принтеров
Краткий экскурс в мир исследований показывает, что проблема решения каждой точки в модели еще далека от решения и, прежде всего, требует глубоких изменений в ядре САПР. Если это разрешено, данные также должны быть отправлены на принтер соответствующим подробным образом, что означает, что должен быть создан интерфейс и соответствующий формат данных, который также может доставлять эти данные непосредственно на разные принтеры.
И последнее, но не менее важное: должен быть разработан метод, с помощью которого пользователь может легко и интуитивно редактировать свойства материала в модели CAD. Это, безусловно, будет означать тип цветового кодирования, что, однако, также означает фальсификацию реальности. В любом случае, еще многое предстоит сделать производителям систем CAD и 3D-принтеров.
Источник:
(1) Альтенхофен, К., Луу, Т. Х., Грассер, Т., Деннштадт, М., Мюллер-Ремер, Дж. С., Вебер, Д. и Сторк, А.: «Непрерывная градация свойств для многослойной 3D-печати» Объекты », Материалы симпозиума по изготовлению твердых форм (том 29, с. 1675-1685), 2018.
* Ральф Штек, независимый автор, Фридрихсхафен