Пятикоординатное аддитивное производство дает целый ряд преимуществ в плане прочности, экономичности и геометрической сложности. Рассказываем откуда взялся термин «5D-печать» и какие решения доступны на современном рынке.
Как однажды подметил американский предприниматель и шоумен Финеас Барнум, плохого пиара не бывает. Верность этого утверждения мы видим на примере так называемых 5D-принтеров и 5D-печати: кто только уже не острил про пять измерений, но термины прижились, а интерес к этому направлению не угасает. Конечно, речь идет не о пяти измерениях, а о пяти степенях свободы, так что D уместнее расшифровывать как degrees of freedom, а не dimensions, аналогично DoF.
В отличие от трехосевых (3D) принтеров, пятиосевые системы добавляют еще две координаты. Идея естественным образом позаимствована из мира обрабатывающих станков с ЧПУ, где пяти- и даже шестиосевые системы — не редкость. В 5D-принтерах дополнительные оси обычно реализуются за счет поворотно-наклонных платформ или модульных креплений.
Зачем это нужно? Дополнительные степени свободы позволяют выходить за рамки планарной печати, то есть не только выполнять укладку расплава горизонтальными слоями, но и выстраивать наклонные поверхности без опорных структур, а значит экономить на расходных материалах и постобработке, а также укладывать нити полимера внахлест, тем самым повышая прочность изделий на разрыв в разных направлениях нагрузки.
Армирующая углеволоконная нить в полимерной оболочке
Дополнительно прочность можно повысить за счет использования композиционных материалов с армирующими наполнителями — угле-, стекло- или параарамидными (кевларовыми) волокнами. Еще более продвинутый метод — параллельная укладка полимеров и непрерывных армирующих волокон. Об этом мы поговорим чуть ниже.
Экспериментальная многоосевая аддитивная система за авторством ученых Делфтского технического университета
Разработка пятиосевых принтеров ведется в разных странах, а сам термин «5D-печать», вероятнее всего, зародился в Японии: в 2016 году команда ученых из компании Mitsubishi Electric под руководством профессора Вильяма Еразуниса опубликовала ролик (см. ниже), в котором пятикоординатное построение именуется 5D printing. В нем же демонстрируется повышение прочности за счет непланарной укладки расплава: 3D-печатный полимерный образец ломается под нагрузкой в 0,1 МПа, а образец, полученный из того же материала методом пятикоординатной печати, выдерживает до 3,7 МПа. Заодно при 5D-печати расход материала сократился на 25%, так как удалось обойтись без поддержек.
Добавление еще двух осей неизбежно влечет усложнение конструкции, но это относительно легко решаемая задача. Другая, более серьезная проблема — программное обеспечение, так как обычные слайсеры не приспособлены под непланарную печать, а писать машинный код вручную слишком трудоемко. Как результат, под 5D-принтеры приходится разрабатывать специальные слайсеры, либо адаптировать имеющиеся CAM-программы, используемые для подготовки машинного кода многоосевых обрабатывающих станков с ЧПУ.
В мире многоосевой печати наиболее распространены промышленные аддитивные системы. В основном такое оборудование строится на основе роботов-манипуляторов, зачастую с более чем пятью степенями свободы. Это упрощает и аппаратную, и программную стороны. Аналогичным образом экструдерами можно оборудовать многоосевые обрабатывающие станки с ЧПУ. Выбор настольных 5D-принтеров пока сильно ограничен, по крайней мере на коммерческом рынке.
Настольные 5D-принтеры
Один из вариантов в 2017 году представила индийская компания Ethereal Machines. Аппарат под названием Ethereal Halo с рабочим объемом Ø150х150 мм и экструдером собственной разработки использует обычные филаменты диаметром 1,75 мм.
Ethereal Halo
На самом деле это даже не принтер, а гибридная система, то есть способная как печатать, так и фрезеровать. На выставке потребительской электроники CES 2018, где впервые публично демонстрировался этот проект, компания получила награду за лучшую инновацию, но сейчас ориентируется больше на фрезерные центры и производство деталей на заказ.
Другой проект реализовала британская компания 5axisworks, предлагающая пятиосевые системы 5axismaker. Это тоже гибридные аддитивно-субтрактивные станки, способные как печатать, так и фрезеровать. В частности, установка шпинделя вместо экструдера дает возможность автоматизированной чистовой механической обработки 3D-печатных деталей.
5axismaker
Насадки — экструдеры и шпиндели — предлагаются в виде быстрозаменяемых модулей, а сами станки доступных в четырех размерах и собираются на заказ.
Еще один интересный вариант предлагает российская компания Epit 3D. Эта система уникальна кинематикой: вместо прямоугольной, картезианской системы координат выбор сделали в пользу дельта-принтера. Дополнительные оси опять-таки реализованы посредством наклонно-поворотного стола.
Epit 5.1 и два очень довольных собой конструктора
5D-принтеры Epit 5.1 предлагаются в комплекте с программным обеспечением FASP собственной разработки. Размер области построения достигает внушительных 530х440х870 мм.
Для борьбы с термоусадкой используется закрытая камера, а хотэнд прогревается до 320°С, позволяя работать с большинством доступных термопластов за исключением тугоплавких конструкционных полимеров вроде полиэфирэфиркетона (PEEK).
Есть даже опенсорсные проекты, например Open5x за авторством группы инженеров и программистов из Имперского колледжа Лондона и компании Microsoft. Одна из таких систем демонстрировалась на прошлогоднем фестивале East Coast RepRap в Мэриленде.
Ребята взяли за основу FDM 3D-принтер Original Prusa i3 MK3s и добавили самодельный наклонно-поворотный стол с 3D-печатными компонентами и слайсер — скрипты на языке визуального программирования Grasshopper 3D, используемом системой автоматизированного проектирования Rhinoceros 3D. С помощью скриптов можно генерировать траектории, просматривать процесс построения в режиме симуляции, а затем экспортировать готовый G-код и приступать к печати.
Помимо Original Prusa i3 MK3s поворотно-наклонный модуль и программное обеспечение уже адаптированы под принтеры Voron и аддитивные системы с автоматической сменой инструмента от E3D. Файлы и инструкции можно найти в репозитории GitHub.
Самый же развитый и массово выпускаемый продукт на сегодняшний день — 5D-принтеры волгоградской компании Stereotech, заслуживающие более подробного разбора.
Stereotech
Компания «Стереотек» выпускает целую линейку систем, включая 3D-принтеры и 5D-принтеры. Точнее, 3D-принтеры Hybrid 530 можно переоборудовать а пятикоординатные системы установкой поворотно-наклонного модуля. Что еще интереснее, Stereotech предлагает трех- и пятиосевые системы Fiber 530 с возможностью армирования деталей непрерывными углеродными волокнами. Все варианты обладают рабочим объемом 300х300х300 мм в режиме 3D-печати и 300х300х230 мм в режиме пятикоординатного построения. Саму технологию пятикоординатной экструзионной печати предприятие именует 5Dtech.
Аддитивная система Fiber 530
И системы Hybrid 530, и системы Fiber 530 оснащаются двумя головками, но по-разному. На Hybrid 530 устанавливаются двойные экструдеры с возможностью одновременной печати основными и опорными материалами, например водорастворимым поливиниловым спиртом. На Fiber 530 устанавливается один экструдер, спаренный с головкой для подачи армирующего волокна.
Спаренная головка для укладки полимерного расплава и непрерывной армирующей нити на 5D-притере Fiber 530
Процесс печати на Fiber 530 состоит из попеременной укладки слоев полимера и углеволокна. Армирующее волокно можно укладывать в разных направлениях для лучшего сопротивления нагрузкам, но с определенными ограничениями в режиме 3D-печати — только в горизонтальной плоскости. Апгрейд до пятиосевой системы за счет установки поворотно-наклонного модуля снимает это ограничение и тем самым позволяет добиваться оптимальных прочностных характеристик уже в любом направлении.
Наклонно-поворотный модуль, устанавливаемый вместо подогреваемой платформы
Армирующий компонент предлагается в виде нитей, пропитанных связующим полимером. Это делается для повышения адгезии с полимерными слоями во время укладки. Каждая нить состоит из трех тысяч тонких углеродных волокон толщиной всего в несколько микрометров.
Примеры изделий, полученных 3D-печатью с укладкой непрерывного армирующего волокна
Хотэнды экструдеров разогреваются до 310°С, позволяя работать с такими материалами, как ABS, ASA, PLA, PETG, термопластичный полиуретан, ударопрочный полистирол, полибутилентерефталат, полипропилен и полиамиды. Как вариант, в качестве матрицы можно использовать угле- или стеклонаполненные полимеры — в комбинации с укладкой непрерывного армирующего волокна это дает еще более прочные изделия.
Аддитивная система Hybrid 530
Для печати материалами с высокой термоусадкой предусмотрена закрытая камера, помогающая стабилизировать фоновую температуру. В режиме 3D-печати используется подогреваемая до 120°С платформа, что дополнительно помогает повышать адгезию с рабочей поверхностью и бороться с преждевременной термоусадкой. Очевидно, из-за конструктивных особенностей поворотно-наклонный модуль не обеспечивает возможность подогрева моделей. Активный прогрев самой камеры пока не реализован, но эта задача может быть решена в будущих моделях оборудования.
Хотя аддитивные системы от Stereotech совместимы с материалами от сторонних производителей, компания предлагает собственную линейку полимеров и композитов:
Proto — фирменный вариант экологичного, биоразлагаемого полилактида (PLA), в основном используемого в печати моделей, макетов и прототипов;
Enduse — акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), широко используемый в производстве функциональных деталей;
Fiberpart — угленаполненный композит на основе ABS с четырехпроцентным содержанием рубленого углеволокна, снижающего усадку и повышающего прочность;
Sealant — термопластичный полиуретан (TPU), устойчивый к растворам кислот и щелочей, жирам, маслам, ксилолу, дизельному топливу и хорошо подходящий для изготовления прокладок, уплотнений и других эластичных деталей;
Metalcast — полимер с порошковым наполнителем из стали марки 316L, используемый в аддитивном производстве полимер-металлических заготовок с последующим отжигом и спеканием в цельнометаллические изделия;
Contifiber — те самые армирующие нити из непрерывного углеродного волокна в полимерной оболочке.
Как мы уже упоминали, один из ключевых элементов 5D-печати — подходящие слайсеры. Оборудование от Stereotech полагается на фирменное программное обеспечение STE Slicer, развиваемое как опенсорсный проект. Наработки по слайсеру доступны в репозитории GitHub, а подробные инструкции по установке и эксплуатации опубликованы на официальном сайте.
Программа производит расчеты траекторий с учетом использования дополнительных исполнительных устройств, позволяет выбирать способы построения моделей и задавать параметры печати, генерировать опорные структуры, оптимизировать траектории, генерировать заполнение. Программа совместима с 64-разрядными операционными системами Windows от 10 и выше.
Дополнительно предусмотрено приложение STE App, позволяющее осуществлять удаленный контроль оборудования и наблюдение за рабочими процессами с помощью встроенных вебкамер с планшетов, смартфонов или персональных компьютеров с подключением по Wi-Fi или проводному соединению.
Платформа: подогреваемая до 120°C (только в режиме 3D-печати)
Дополнительное исполнительное устройство: поворотно-наклонный модуль (только в режиме 5D-печати)
Точность позиционирования: 1,56 мкм по осям X и Y, 1,25 мкм по оси Z, 2’15” (0,037°) по осям А и С
Электропитание: 100-240 В, 50-60 Гц, 850 Вт
Габариты: 505х513х627 мм
Вес: 35 кг (нетто), 54 кг (брутто)
Компания «Стереотек» активно развивается. Весной 2022 года предприятие заявило о намерении нарастить производство пятиосевых принтеров для обеспечения бесперебойной работы российских промышленных предприятий в условиях санкций. Осенью того же года Stereotech открыло новое, расширенное производство аддитивного оборудования, получив финансовую поддержку фонда Национальной технологической инициативы (НТИ) в размере ста миллионов рублей.
Технология 5Dтесh позволяет оперативно изготавливать детали непосредственно на производстве и тем самым сокращать логистические издержки. Как утверждают разработчики, получаемые функциональные полимерные и композитные изделия в четыре раза прочнее, чем изготовленные на стандартных 3D-принтерах, а выгода только на одном типе детали может составлять до трех миллионов рублей в год. Аддитивные системы под волгоградским брендом уже эксплуатируют компании «Северсталь», «Нефтемаш», «Газпром Химволокно» и Grass.
Если вас интересуют технологии 5D-печати и аддитивного производства композитами, свяжитесь с нами и получите подробную консультацию по 3D-принтерам компании «Стереотек» и материалам для разных задач.
$$
