CC BY
10
УДК 004.925.8
Сулханов Я.Д., Цыганков П.Ю., Абрамов А.А.
Разработка конструкции установки для реализации процесса 3D-печати с использованием гетерофазной системы
Сулханов Ян Дмитриевич - студент группы К-45, [email protected].
Цыганков Павел Юрьевич - к.т.н., доцент кафедры химического и фармацевтического инжиниринга;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»,
Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Абрамов Андрей Александрович - аспирант, м.н.с. кафедры Химического и фармацевтического инжиниринга; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В настоящий момент актуальным и перспективным является разработка методов и технологий SD-печати для расширения областей применения аддитивных технологий. Наиболее востребованным подходом является печать с использованием вязких материалов, которая позволяет получать новые материалы с заданным свойствами. В качестве перспективного подхода рассматривается технология прямой гелевой печати. Не смотря на это, данная технология имеет ряд ограничений, которые не позволяют получать изделия с нависающими частями. Для устранения данных недостатков может быть использована технология SD-печати с использованием гетерофазной системы. Однако, не существует установок для реализации данной технологии. В статье рассматривается модификация конструкции SD-принтера для реализации процесса SD-печати с использованием гетерофазной системы.
Ключевые слова: SD-печать с использованием гетерофазной системы, разработка конструкции.
Development of an installation design for implementing the 3D printing process using a heterophase system
Sulkhanov Y.D., Tsygankov P.Yu., Abramov A.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
At present, the development of methods and technologies for 3D printing to expand the application areas of additive manufacturing is both relevant and promising. Printing with viscous materials is the most sought-after approach, as it enables the production ofnew materials with specific properties. Among the prospective approaches, direct gel printing technology is considered. However, this technology has certain limitations that prevent the creation of overhanging parts. To overcome these limitations, 3D printing technology using a heterophase system can be employed. However, there are currently no existing setups to implement this technology. This article explores the modification of a 3D printer design to enable the implementation of the 3D printing process using a heterophase system. Keywords: 3D printing using a heterophase system, design development.
Введение
ЭБ-печать является революционной технологией, которая позволяется получать трехмерные объекты заданной формы. Данная технология, также известная как аддитивное производство, использует послойное нанесение материала для формирования геометрии конечного изделия, в отличие от традиционных методов производства, основанных на его удалении [1]. Одним из основных преимуществ 3D-печати является возможность формирования изделий любой формы и сложности, которые было бы невозможно достичь с использованием традиционных методов, таких как литье или фрезерование [2].
Однако, у существующих методов 3D-печати имеются свои ограничения. Одним из главных недостатков является ограниченный выбор материалов, который можно использовать для реализации процесса. В настоящее время основными материалами, используемыми в 3D-печати, являются термопластичные полимеры, светочувствительные смолы и порошки металлов. Расширение областей применения технологий 3D-печати в том числе для медицины, фармацевтики, гибкой электроники
возможно при использовании технологий 3D-печати вязкими «чернилами».
Наиболее распространенным технологией 3D-печати с использованием вязких «чернил» является прямая гелевая печать [Э]. Реализация процесса трёхмерной печати с использованием данной технологии основывается на экструзии псевдопластичных, тиксотропных жидкостей на поверхность рабочей области с последующим гелеобразованием за счет различных физико-химических процессов. Благодаря правильно подобранным реологическим свойствам «чернил», отсутствует растекание материала по поверхности рабочей области до его отверждения. Однако, предъявляемые реологические требования усложняют процесс разработки требуемого состава «чернил», а также существенно ограничивают спектр используемых материалов. Помимо этого, процесс печати происходит в воздушной среде, из-за чего геометрия конечного изделия может быть нарушена за счет воздействия силы тяжести.
С целью устранения недостатков технологии прямой гелевой печати может быть рассмотрена технология 3D-печати с использованием
гетерофазной системы [4]. При реализации данного подхода процесс печати осуществляется в систему, заполненную микрочастицами. Использование гетерофазной системы позволяет снять ограничения по геометрии модели, что позволяет получать изделия с нависающими частями без необходимости поддерживающих конструкций. Кроме того, использование гетерофазной системы позволяет значительно снизить требования к реологическим характеристикам. Это позволяет реализовывать процесс 3D-печати с использование «чернил» с внедренными компонентами, например,
наноматериалами. Однако, в настоящий момент не существует конструкций устройств для реализации данной технологии, поэтому необходимо разработка новых установок для расширения областей применения аддитивных технологий.
В данной работе рассмотрен процесс разработки конструкции установки для реализации процесса 3D-печати с использованием гетерофазной системы. Представлены экспериментальные исследования процесса 3D-печати с использованием разработанной конструкции установки и материалов на основе альгината натрия.
Экспериментальная часть
В работе [5] была предложена конструкция установки для реализации процесса прямой гелевой печати. Однако, предложенный вариант исполнения установки не может быть использован при реализации разрабатываемой технологии. Это обусловлено наличием оптического датчика, который выступает в качестве концевого переключателя, неправильным расположением сопла экструдера и трудностью контроля подачи материалов с низкой вязкостью (от 0,8 Па-с) (рис. 1).
С целью устранения недостатков данного варианта расположения подвижных элементов установки в системе автоматизированного проектирования был разработан ряд моделей для 1а
ЕИ в
Р"
изменения ориентации каретки экструдера. Для увеличения точности позиционирования
экструдирующего устройства и увеличения точности подачи «чернил» с низкой вязкостью было принято решение повернуть плоскость каретки перпендикулярно рабочей платформе.
Рис. 1 Виртуальная модель конструкции установки для реализации процесса прямой гелевой печати [5]
Несмотря на симметричность расположения двух держателей, элемент разные по своей структуре. Модель включает в себя два элемента: основная часть, к которому прикрепляется шаговой двигатель, и ответная часть. Было разработано 3 варианта исполнения основной и ответной части держателя каретки экструдера (рис.2)
В качестве продавливающего устройства был выбран экструдер вязких «чернил», предложенный в работе [5]. Разработанные конструкции держателя каретки экструдера, продавливающее устройство и шаговый двигатель были совмещены в одну сборку для оценки расположения элементов (рис. 3).
За ¡ШЛШ9 "I 36 1 " в' ■
И В—' [ 1
Рис.2 Варианты исполнения конструкции держателей каретки экструдера: а - основная часть; б - ответная
часть
Рис. 3 Варианты исполнения конструктивных элементов и расположения шагового двигателя на них
Определяющим фактором при выборе варианта исполнения конструктивных элементов,
обеспечивающих перемещение продавливающего устройства, является расположение шагового двигателя. При выборе ориентации шагового двигателя необходимо добиться отсутствия колебаний в процессе печати и снижение нагрузки на ременную передачу при перемещении. При расположении шагового двигателя перпендикулярно валам, по которым происходит перемещение продавливающего устройства (вариант 1), возникают колебания из-за смещения центра тяжести. Это приводит к снижению качества конечного изделия. При расположении шагового двигателя в нижней части конструктивного элемента (вариант 3) наблюдаются высокие нагрузки на нижний вал и смещение соосности двух параллельных
А
направляющих, по которым происходит перемещение. Таким образом, наиболее предпочтительным вариантом исполнения конструктивных элементов и расположение шагового двигателя представлен в варианте 3.
Разработанные модели конструктивных элементов были напечатаны с использованием процесса жидкокристаллической стериолитографии (LCD). Были установлены следующие параметры проведения процесса печати: толщина слоя 100 мкм, количество базовых слоев 4, время отверждения базовых слоев 120 секунд, время отверждения основных слоев 12 секунд. Общее время печати 5 часов. Полученные конструктивные элементы были интегрированы в установку для проведения процесса SD-печати (рис.4).
Б
Рис.4 Разработанные конструктивные элементы (А), внешний вид установки для проведения процесса 3D-печати с использованием гетерофазной системы(Б)
Модернизированная установка трехмерной печати была использована для реализации процесса 3Dпечати с использованием гетерофазной системы (Рис.5).
Рис.5 Результат процесса 3D-печати с использованием разработанной конструкции установки
В качестве «чернил» для реализации процесса использовался альгинат натрия с концентрацией 2 масс.%. Данный раствор обладает вязкостью 0,8 Па*с и позволяет оценить эффективность процесса печати с использованием разработанной установки. В свою очередь в качестве гетерофазной системы была суспензия микрочастиц желатина. Реализация процесса трехмерно печати с использованием разработанной конструкции установки позволяет получать изделия с погрешностью 5%. Для снижения погрешности в процессе печати необходимо разработать новую экструзионную систему, обеспечивающую высокую степень дозирования материалов для реализации процесса печати.
Заключение
В данной работе предложен ряд моделей конструкции держателя экструдера для реализации
процесса SD-печати с использованием гетерофазной системы. На основании проведенных экспериментальных исследований выбран вариант 3, который позволяет реализовать процесс печати с высокой точностью за счет отсутствия колебаний при перемещении экструдера. С использованием разработанной конструкции установки и материалов на основе альгината натрия проведена тестовая печать изделия. В качестве гетерофазной системы в данной работе была использована суспензия микрочастиц желатина. Полученные результаты свидетельствуют о возможности реализации процесса трехмерной печати с использованием гетерофазной системы с использование разработанной установки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» № ВИГ 2022 006.
Список литературы
1. Wong K. V., Hernandez A. A Review of Additive Manufacturing // ISRN Mechanical Engineering. Hindawi Limited, 2012. Vol. 2012. P. 1-10.
2. Li N. et al. Progress in additive manufacturing on new materials: A review // J Mater Sci Technol. Elsevier, 2019. Vol. 35, № 2. P. 242-269.
3. S R Saadi M.A. et al. Direct Ink Writing: A 3D Printing Technology for Diverse Materials // Advanced Materials. John Wiley & Sons, Ltd, 2022. Vol. 34, № 28. P.2108855.
4. Shiwarski D.J. et al. Emergence of FRESH 3D printing as a platform for advanced tissue biofabrication // APL Bioeng. AIP Publishing LLC AIP Publishing , 2021. Vol. 5, № 1. P. 010904.
5. Цыганков П. Ю., Абрамов А. А., Меньшутина Н. В. 3D-ne4aTb гелевыми материалами с целью получения аэрогелей на основе альгината натрия // Химическая промышленность сегодня. 2020. № 6. P. 52-57.
