РАЗРАБОТКА 3D ПРИНТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА
ДРЕВЕСИНОПОЛИМЕРАХ
, ,
(СПбГЛТУ, г. Санкт-Петербург, БрГУ, г. Братск, СПбГУАКП, г. Санкт-Петербург, РФ)
Development of 3-d printer technology on woodpolimers. The prospects for use of high information technologies based on the 3-D printer technology on the basis of woodpolimers with high regeneration.
Полимерные материалы находят широкое применение во всех областях народного хозяйства: машиностроении, медицине, архитектуре, строительстве, упаковке, информационных технологиях, мебельном производстве, транспорте и др. В настоящее время происходит интенсивное развитие 3D принтерных технологий, позволяющих реализовывать виртуальные 3D модели в физические объемные объекты самого различного назначения.
В основе 3D принтерных технологий производства композиций лежит принцип послойного создания твердого объекта путем применения трех принципиальных технологий: лазерной, струйной и наноблочной.
Лазерная
1. Лазерная печать — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик
2. Лазерное спекание — при этом лазер выжигает в порошке из легкосплавного пластика, слой за слоем, контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали
3. Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали
Струйная
4. Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта
5. Полимеризация фотополимера: пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета
6. Склеивание или спекание порошкообразного материала — то же самое что и лазерное спекание, только порошок склеивается клеящим веществом, поступающим из специальной струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя связующие вещества различных цветов
Наноблочная
7. В цифровом виде 3D-объект состоит из повторяющихся основных блоков, которые называют «элемент объема», или «воксел». Каждый воксел либо занят материалом (1), либо пуст (0). Это позволяет описать структуру трехмерного объекта достаточно простым компьютерным алгоритмом, который управляет станком с числовым программным управлением. Принтер накладывает вокселы строго выдержанных размеров друг на друга слой за слоем, пока не получается законченная трехмерная фигура с высокой точностью изготовления. Это похоже на работу струйного принтера, только в итоге получается не двухмерная картинка, а объемный предмет. Вместо чернил VoxJet использует различные строительные блоки (микроскопические решетки или шарики) и печатает со скоротьюдо 10 элементов в секунду. Причем ненужные уже предметы можно разобрать на составные части с помощью того же 3D-принтера и опять использовать сырье, из которого они были сделаны.
8. Легоблочная модель состоит из повторяющихся «элементов объема», которые позволяют описать структуру трехмерного объема достаточно простым компьютерным алгоритмом; 3D принтер накладывает «элементы объема» друг на друга, слой за слоем, пока не получится законченная трехмерная композиция. Это похоже на работу 2D принтера, только вместо чернил используются строительные «элементы объема».
Применение технологии
· Для быстрого прототепирования, то есть быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
· Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное решение для малосерийного производства
· Изготовление моделей и форм для литейного производства.
· Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри».
· Производство различных мелочей в домашних условиях.
· Производство сложных, массивных, прочных и главное недорогих систем.
· В медицине при зубном протезировании и изготовлении «запасного скелета».
· В кулинарии.
· В архитектуре и строительстве.
· В микроэлектронике. Технология FPGA позволяет описывать электронные схемы на компьютере, а затем реализовывать все описанное в стандартной микросхеме. Это быстрый прототайпинг, но для электроники. Причем, если раньше все это было достаточно дорого и сложно, то теперь, при желании, можно будет изготовить все что угодно - микропроцессор, DSP, микроконтроллер - практически в домашних условиях. Объемная печать позволит, в перспективе, сделать то же самое с обычным производством.
Наиболее востребованными для лесной отрасли из рассматриваемых технологий объемного воспроизводства являются струйная и наноблочная (как легоблочная), в которых возможно использть термопластик с древесным наполнителем.
Все возрастающая потребность полимеров для информационных технологий производства ставит проблему создания для них дешевых композиционных материалов с наполнителями природного происхождения. Эффективным путем решения этой проблемы является производство композиционных материалов, основой которых являются термополимеры и измельченная древесина.
Древесина, являясь естественно возобновляемым растительным полимером, в качестве наполнителя в термопласте обладает целым рядом преимуществ по сравнению с минеральными:
- высокой степенью проницаемости, благодаря своей биструктуре, обусловленной капиллярно-пористым строением,
- близостью коэффициентов термического расширения со связующим полимером, что способствует упрочнению композита,
- возможностью получать более высокие степени наполнения 40-80% вместо 15-20% с сохранением высоких физико-механических свойств,
- низкий уровень цен на измельченную древесину, и др.
В качестве сырья, из которого можно получать измельченную древесину как наполнителя в термопластике, могут служить отходы лесозаготовительного и деревоперерабатывающего производств. Это позволяет эффективно решать как задачу рационального использования лесных ресурсов, так экологической безопасности регионов.
Основным требованием, предъявляемым к термопластикам в древесинных композитах, которые могут быть использованы в качестве материалов для 3D принтерных технологий, является необходимость того, чтобы их температура плавления была ниже температуры деструкции материала древесины [1].
В табл 1. приведено сравнение физико-механических свойств древесинопластика (40% заполнение измельченной древесиной) и различных пород древесины.
Таблица 1. Физико-механические свойства древесинопластика и различных пород древесины
Показатель | композит | ель | сосна | береза |
Прочность при растяжении, МПа | 33 | 5,0 | 5,4 | 11,1 |
Ударная прочность, кДж/м2 | 5,4 | 5,6 | 5,5 | 8,0 |
Данные таблицы показывают, что древесинопластик может использоваться как строительный материал, поэтому 3D принтерные технологии можно рассматривать как перспективные в строительстве.
Для решения задач объемного моделирования (дизайн, геоинформация, архитектура и др.), когда прочностные характеристики модели отступают на последний план, объемное содержание измельченной древесины в композите может доходить до 80-90%.
Объемными наполнителями композита могут так же служить измельченные сельскохозяйственные материалы, бытовые и промышленные отходы и многое др.
Очень важным свойством материала древесинопластика является возможность его термической регенерации (не менее пятикратного) после того, как изготовленная из него композиция становится не нужной (устарелой), и он становится исходным для последующего производства.
Динамика развития лесной отрасли и сельского хозяйства в современных условиях требует эффективного применения информационных технологий для производства товаров народного потребления широкого профиля из естественно воспроизводимого сырья и ставит актуальные вопросы как для древесино-и материаловедения необходимости создания соответствующих древесино-минералопластиков, так и разработке на их основе высокопроизводительного оборудования.
В настоящее время 3-D принтерные технологии работают только на композитах, их востребованность растет по экспоненте. Поэтому актуальным становится решение проблемы перехода в высоких технологиях к более дешевым древесинополимерах.
В Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете совместно с Братским государственном университетом выполняются работы по созданию 3-D принтерных технологий на древесинокомпозитах для промышленного производства товаров народного потребления самого широкого профиля.
Трибология и химия древесины позволяют целенаправленно улучшать эксплуатационные свойства древесинеополимеров на основе варьирования дисперсности измельченной древесины и её физико-механических и физико-химических свойств.
Анализ показывает, что наиболее перспективными связующими для создания древесинополимерных материалов являются термопластиы, переработка которых производится высокопроизводительными методами, а так же их сочетание с целью минимизации использования модифицирующих веществ [1].
Лабораторный 3-D принтер, на котором отработана возможность создания промышленной технологии производства товаров народного потребления на древесинополимерах, представлен на рис. 1. В результате исследований была установлена возможность замены типового полимерного материала 3-D принтера древесинополимерами, это обстоятельство приводит к необходимости соответствующей доработки оборудования и программного обеспечения.
Рис. 1. Внешний вид лабораторного 3-D принтера
Литература
1. , , Купчинов переработки высоконаполненных композитов. Гомель: ИММС НАНБ, 20с.
