Исследование процесса изготовления моделей с помощью технологии 3D печати

IV Открытая научно-техническая конференция
«Современные компьютерные технологии
3D-моделирования и проектирования»

Тема: «Исследование процесса изготовления моделей с помощью технологии 3D печати и станков с ЧПУ»

Автор: Фаляхов Айдар

обучающийся 9 класса

ГБОУ СОШ «ОЦ» с. Денискино

м.р.Шенталинский

Научный руководитель: Нуртдинов Алмаз Расихович

учитель математики и педагог дополнительного
образования

Денискино, 2019

Содержание

Введение 3

Используемый инструментарий 6

Этапы выполнения работы 6

1 Создание шахматной доски. 6

1.1 Шахматная доска 6

1.2 Шахматные клетки 7

1.3 Узор шахматной доски 7

1.4 Нижняя часть доски 10

2 Деревянные фигуры 11

3 Пластиковые фигуры 11

Практическая реализация 12

Исследовательская часть 12

Заключение 18

Библиография 20

Введение

На сегодняшний день одним из наиболее актуальных вопросов является выбор технологии производства изделий. В первую очередь это обусловлено тем, что самих технологий производства стало намного больше в сравнении с прошлым веком, и уровень их доступности также вырос. В рамках данной работы будут рассмотрены 2 модели шахмат, созданные с помощью программ Art CAM ProEducational7.2e, Fusion 360 и изготовленные параллельно на 3d принтере Anet A6 и станке RolandMDX-15.

3D печать считается технологическим достижением и важным направлением современного производства. Благодаря трехмерным принтерам открываются новые возможности во всех отраслях экономики. Традиционно большая часть изделий обрабатывается на станках, но сегодня, в век бурного развития технологий у данного вида обработки появился конкурент – 3D печать. В данной работе делается попытка исследовать процесс изготовления моделей с помощью технологии 3D печати и станков с ЧПУ, определить, какие плюсы и минусы каждой технологии изготовления изделий. Новейшие технологические прорывы и разработки в области 3D печати вошли в нашу жизнь и распространяются по всему миру с огромной скоростью. Технология хотя и не новая, но в массовое производство вошла недавно, и сейчас разнообразие моделей 3D принтеров растет с каждым днем. На рынке появляются все новые производители, которыми вносятся усовершенствования в уже существующую технологию, которые делают возможности печати объемных моделей все более эффективным.

Какую бы технологию изготовления мы не выбрали, вначале необходимо создать 3D модель нашего объекта. Ценность трехмерного моделирования в том, что оно позволяет смоделировать не только существующие, но и проектируемые объекты. Моделирование – это творческий процесс и разделить его на какие-либо этапы и шаги довольно сложно. Моделирование, в том числе и компьютерное, состоит из: постановки задачи, которая состоит из описания, мотивации и предварительного анализа объекта, разработки модели, которая в свою очередь подразделяется на: выделение существенных факторов, создание алгоритма, выбор программного обеспечения (ПО) и программирования. Последний этап – компьютерные эксперименты – это тестирование модели, настройка и редактирование модели, расчет модели при различных входных данных.

В настоящее время существуют специальные среды для работы с объемными изображениями. Art CAM ProEducational7.2e является одной из них, позволяя создавать трехмерные модели. Завершающей операцией является объект, выполненный на станке, управляемом компьютером. В нашей школе имеется пакет Art CAM ProEducational7.2e. После выполнения трехмерной модели на компьютере, мы изготавливали его на станке с ЧПУ. У меня есть такие работы как «Танграм», «Шкатулка», «Настенные часы». А в этом году, после появления в школе 3D принтера, я с энтузиазмом стал осваивать новую для меня технологию 3D печати. дна из откидных ножек, которые нужны чтобы создавать небольшой наклон, для удобства печати. Я снял с клавиатуры не поврежденную ножку, произвел необходимые измерения, разработал 3D-модель и распечатал. Потом разновидности этой же детали попросили сделать друзья. Для дома я напечатал детали, обеспечивающие скольжение ящиков шкафов, зеркала шкафа-купе и тд. У меня появилось много вопросов, захотелось определить, какая же технология лучше? Для получения ответов на свои вопросы я решил провести исследование: спроектировать 3D модели шахматных фигур, а потом изготовить их двумя приведенными технологиями, чтобы в процессе работы провести сравнение, анализ преимуществ каждой технологии.

Проблема

Выбора оптимальной технологии для производства изделий

Цель данной работы

- проектирование и изготовление модели шахматных фигур с помощью CAD\CAM технологий (на станке RolandMDX-15 и 3D принтере Anet A6);

-исследование процесса изготовления моделей с помощью 3D печати и станков с ЧПУ для определения преимуществ каждой из технологий.

Задачи

-изучить периодическую и научную литературу по приведенной теме;

-изучить сложные функции программы ArtCAM, разработать компьютерные 3D модели шахматных фигур с помощью данной программы;

- смоделировать на компьютере процесс изготовления изделий;

-сформировать управляющую программу;

-изготовить 2 варианта моделей шахматных фигур: на 3D принтере и станке Roland MDX-15;

-сравнить процессы изготовления шахматных фигур.

Актуальность

«Компьютерное моделирование и высокопроизводительные вычислительные системы» входят в Перечень приоритетных научно-технических направлений для Самарской области. Изучение 3D технологий обусловлено практически повсеместным их использованием в различных сферах деятельности, знание которых становится все более значимым для полноценного развития личности. На сегодняшний день данные технологии осваивают крупные промышленные компании, а многие страны мира запускают соответствующие государственные программы и создают исследовательские центры, включающие данные технологии. В нашей стране использование 3D принтера в промышленности находится пока в начале пути, но правительство всерьез задумывается о внедрении аддитивных технологий в оборонную промышленность, аэрокосмическую, атомную отрасль и т.п.

Вследствие активного внедрения современного оборудования в школы, мы, ученики небольшой сельской школы, окунулись в необыкновенный мир 3D.

Практическая значимость работы

Полученный продукт заинтересовал Администрацию села, которая ежегодно проводит шахматный турнир. Для награждения победителей, по просьбе организаторов, мы изготовили такие комплекты шахмат. А для меня значимость в том, что я, работая над проектом, изучил новые функции программ моделирования, определил новые модели, которые попробую создать в будущем.

Используемый инструментарий

В данной работе использовались следующие средства:
- программное обеспечение сканера HP;
- программы ArtCamProEducational 7.200 и Fusion 360;
- станок Roland MDX-15;
- 3D принтер Anet A6;
- дерево сосна, ясень, бук;
- концевые фрезы: 1.8мм, 1мм, 0.8мм;
- сферическая фреза 0.7мм;
- штангенциркуль;
- двухсторонний скотч;
- папка-скоросшиватель;
- клей.

Этапы выполнения работы

Шахматный набор состоит из шахматной доски, деревянных и пластиковых фигур.

1 Создание шахматной доски. 1.1 Шахматная доска

Вектор №1

Вектор №2

Ч тобы вычислить рельеф основания крышки шахматной доски использую функцию Выдавливание. Выбираю направляющую кривую (Вектор №1), нажимая на галочку Сделать квадратные углы, далее начальный профиль (Вектор №2) и добавляю рельеф.

С помощью Редактор формы делаю остальные операции с рельефом.

1.2 Шахматные клетки

Создаю векторы шахматных клеток. Используя Редактор формы вычитаю сферическую форму рельефа с углом в 90 градусов с ограничением по высоте 0.3 мм.

1.3 Узор шахматной доски

Д ля начала создаю 2D векторы будущего узора

А чтобы впоследствии превратить их в объёмный 3Д рельеф, использую такие функции как: вытягивание по двум направляющим, редактор формы и скульптор.

Рассмотрим данный участок:

Векторы №3,4,5

Вектор №2

Вектор №1

В нём использовалась функция Вытягивание по двум направляющим.

Данный инструмент позволяет создавать произвольные формы путем вытягивания заданного поперечного сечения по двум направляющим. Вычисляем рельеф с помощью Вытягивание по двум направляющим. Для первого направляющего выбираю вектор №1, а для второго вектор №2. Создаю вектора №3,4,5 для сечения, и нажимаю Вычислить.

Полученный результат:

Следующие 18 элементов узора создаю таким же образом, комбинируя разные сечения, которых в общей сложности было 8 видов.

Чтобы сделать углубление в листке использую Редактор формы, выбрав сферическую форму рельефа с углом в 90 градусов и нажимаю Вычесть.

К векторам на рисунке применяю Редактор формы, при этом задавая разные градусы, получаю желаемый результат.

Скульптор.

Данная область получилась неровной, и, чтобы сгладить этот участок, применяю Скульптор. Он позволяет редактировать рельеф вручную, экономя при этом значительное время.

После всех операций у нас получается вот такой рельеф

С помощью команды Загрузить рельеф правильно вставляю рельеф, чтобы получился полноценный узор.

Собираю элементы доски в одну модель.

1.4 Нижняя часть доски

Чтобы шахматные фигуры можно было хранить в самой доске, нужно сделать в ней углубление. Для этого на вектор №1 добавил 10мм высоты, для вектора №2 вычел 7 мм, а для векторов №3,4 вычел по 2 мм.

Вектор №1

Вектор №2

Вектора №3,4

2 Деревянные фигуры

При помощи инструмента Полилиния создаю векторы, затем применяю на них функцию Поворот для получения 3D модели фигур.

.

3 Пластиковые фигуры

Пластиковые фигуры создавались в программе Fusion 360. Используя функции Линия и Сплайн я делаю контур будущих деталей, далее использую команду Поворот. Также при помощи команды Выдавливание добляю для коня толщину в 3.2 мм.

Практическая реализация

Практическая часть реализована параллельно на станке Roland Modella MDX-15 и 3D принтере Anet A6.Спроектированные модели через управляющую программу отправлялись по очереди на станок и принтер. И станок с ЧПУ и 3D принтер удобны тем, что во время процесса изготовления моделей не надо за ними следить, выполняют всю работу в автоматическом режиме уже без участия человека, что исключает возникновение брака во вине человека.

Исследовательская часть

Я решил сравнить некоторые характеристики (скорость обработки, расходы на электроэнергию, стоимость по расходным материалам) на примере изготовления пешки. Произвел некоторые измерения, вычисления и получил следующие результаты.

Расчет и сравнение расходов на материал на примере фигуры пешки.

Дерево 1м³ = 10000 руб. Для пешки расходуется брусок размером

а= b=8мм., h=15мм .

V пешки = 15*8*8=960мм³ ≈1000мм³

1м³ = 10⁹мм³

10⁹ мм³ - 10 000 руб.

1000 мм³ - х руб .

Х = 0,01 руб. = 1 (коп.) - стоимость 1 пешки из дерева

1 кг. пластика = 1200 руб.

Масса 1 пешки из пластика = 0,3 г.

1000 г. - 1200 руб

0,3 г. - х руб.

Х = 0,3*1200:1000 = 36 (коп.) – стоимость 1 пешки из пластика.

Вывод: стоимость материалов в несколько раз дешевле, если использовать традиционную технологию, пластик для 3Dпринтера не дешевый.

Сравнение скорости изготовления.

На принтере фигура пешки изготовлена за 13 мин.

Вычислил время обработки на станке.

Дано: фреза 0.7 мм,

Черновая обработка: V=8м/с, Шаг=0,2 мм., h=0.2 мм.. Время обработки 1 половины = 49 минут.

Чистовая обработка: V=8м/с, Шаг=0,1 мм., Время обработки 1 половины = 10 минут.

Общее время обработки 1 половины 59 минут, деталь состоит из 2склеенных половинок, время обработки целой детали 59*2=118 мин.

118 :13≈9. В 9 раз быстрее принтер.

Вывод: по показателю скорость обработки лидирует принтер.

Расходы на электричество для станка:

t=118 мин. Мощность=16 Вт.

1 кВт/ч =3 руб. 1 кВт = 1000Вт

1000 Вт/ч - 3 руб

16 Вт/ч - х руб

х= 16*3:1000 = 4,8 (коп.)– стоимость потребленной электроэнергии за 1 час

4,8:60*118 ≈ 9,4(коп.)– стоимость потребленной электроэнергии при изготовлении пешки на станке.

Расходы на электричество для принтера: t=13мин.

Потребляемая мощность на разных этапах колеблется от 50 до 250 Вт/ч, что в среднем составляет 150 Вт/ч.

1000 Вт/ч-3 руб

150 Вт/ч -х руб

х=150 *3:1000 = 0,45 (руб. ) = 45(коп.)- стоимость 1 часа работы.

13*45:60 ≈ 9.7 (коп.) - стоимость потребленной электроэнергии при изготовлении пешки на принтере.

Вывод: расходы электроэнергии оказались примерно одинаковыми, чуть ниже на принтере.

Но, кроме этих, есть и другие, не менее важные показатели производства, которые приведены в таблице, где по результатам сравнительной характеристики отдавалось предпочтение (зеленый цвет) одной из технологий.

Таблица 1. Преимущества и недостатки, выявленные при изготовлении моделей разными способами:

Станок с ЧПУ	3Dпринтер
Путь от 3D модели до готового изделия
Подготовить исходный материал	Получается готовое изделие, иногда есть небольшая потребность в доработке поверхностей созданного объекта (полировке).
Требуется черновая и чистовая обработки
Необходимо менять фрезы
Объёмные модели надо собирать из отдельных более простых деталей
-	+
Вывод: на станке получались только половинки каждой объёмной фигуры, целую деталь необходимо было собирать из 2-х половинок. С помощью принтера можно напечатать целую деталь, которую в дальнейшем не понадобится собирать. Благодаря этому в команде проекта уменьшается количество специалистов, что экономит денежные ресурсы. За счет сокращения процессов время от идеи до использования сокращается. Также это решает проблему нехватки инженеров.
Прочность, надежность, внешний вид готового изделия
Изделия, выполненные на станке с ЧПУ более прочные	Слоистые объекты, плотность которых невысокая
Изделия из дерева, изготовленные на станке имеют более “благородный” вид, высокое качество обработки поверхности	Поверхность изделий из пластика имеет рельефный, немного неровный вид (хотя в нашем случае это не влияет на качество)
+	-
Вывод: другими словами, если вы планируете изготавливать изделия, к которым предъявляются высокие требования по прочности, точности линий и форм, а также качеству поверхности, то здесь себя полностью оправдывает фрезеровка ЧПУ. Если хотите сделать эксклюзивный подарок, будут выглядеть эффектнее изделия из дерева, а когда особых требований к внешнему виду нет, а важна н/р, скорость изготовления, тогда лучше выбрать пластик.
Сложность конструкции модели
Сложные объёмные формы приходится делать частями, которые затем надо склеивать, спаивать	Позволяет создавать трехмерные объекты любой сложности
-	+
Вывод: что касается сложности изделий, то на первом месте 3D принтер. Специфика фрезеровки такова, что даже на пятиосевом станке фреза способна достать далеко не везде. Это вынуждает специалистов создавать составные модели из нескольких частей, которые затем надо спаивать, а то и предварительно дорабатывать вручную. 3D-принтер же способен распечатать модель сколь угодно сложной формы, включая внутренние полости и сложные сочленения, за один проход.
Точность форм модели
0,01мм	0,1мм
+	-
Вывод: Точность позиционирования фрезы в ЧПУ аппарате, выше, чем у 3D принтера. При изготовлении на принтере не получались мелкие детали, они растекались, не успевая остывать. Пришлось уменьшить диаметр сопла, подбирать значение отката для пластика, настраивать вентилятор. Качество обработки поверхности фрезером зависит от размера самой фрезы, радиус вершины фрезы был 0,01 мм, так как движение фрезы задается программно, обычно это шаг в треть или половину фрезы, соответственно - все переходы сглаживаются. У фрезера качество поверхности значительно лучше, практически не требует дальнейшей обработки. Когда деталь одна или времени много, фрезер предпочтительнее. Но если изделий много разных, то печать будет намного быстрее, а полировка - менее кропотливый процесс, чем сборка из частей, меньше вероятность ошибки.
Долговечность
Срок эксплуатации дерева- 15-20 лет	Срок эксплуатации пластика PLA- 3-4 года
+	-
По показателю долговечность дерево выигрывает у пластика PLA.
Стоимость оборудования
130 000 руб.	15 000 руб.
-	+
Вывод: оборудование намного дороже для фрезерования, это говорит о том, что данная технология наиболее выгодна для серийного производства, массового, когда каждый день с утра и до вечера станок занят т. к. данное оборудование способно окупиться только при больших сериях. Для того, чтобы поставить на поток следующее изделие необходимо совершить переоснастку оборудования, а это не быстрый процесс. В свою очередь 3Dпринтер больше подходит для создания уникальных, мелкосерийных изделий, принтер способен быстро адаптироваться под любое изделие, не нуждается в переоснастках.
Стоимость по расходным материалам
1 коп.	36 коп.
+	-
Скорость обработки модели
118 минут	13 минут
-	+
Расходы на электроэнергию
9.4 коп	9,7 коп
=	=

Заключение

При желании получить инструменты, которые подходят для того, чтобы решить любые задачи, нужно покупать сразу фрезерный ЧПУ станок и 3D принтер. При выборе чего-то одного, необходимо обдумать, какие именно задачи предстоит решить с помощью этого аппарата, обратить внимание на следующие факторы:

точность линий и форм,

желаемая прочность изделия,

сложность создаваемых объектов,

цена расходных материалов,

временные ограничения,

необходимость в доработке созданного изделия,

назначение изделия.

В заключение хочется отметить, что цель моего исследования достигнута. Я сделал вывод, что технологии 3Dпечати и станки с ЧПУ являются взаимозаменяемыми далеко не во всех случаях, так как у каждой технологии есть определенные преимущества, которые исходят от поставленных задач, хотя с определённой долей условности, процесс производства готового изделия можно смоделировать при помощи каждой из приведенных выше технологий. Мой совет: надо выбирать, исходя из поставленных задач.

Выполняя данную работу, я получил возможность освоить всё многообразие технических приёмов использованных программ 3Dмоделирования, определил новые функции, которые буду использовать в будущих проектах. Прошел на практике весь путь от идеи до готового изделия с помощью технологии 3D печати и фрезерования на станке с ЧПУ. Уверен, что владение основами компьютерного 3D моделирования, умение применять полученные знания в практической деятельности, в скором будущем поможет в освоении таких профессий, как инженер-конструктор, проектировщик, чтобы стать в дальнейшем востребованным специалистом, заниматься любимым делом.

Библиография

1. Учебное пособие ArtCAM PRO 6

2. Интернет ресурсы: https://www.google.ru/, https://ru.wikipedia.org

11