2020-06-10
146
Для создания групп исследуемых образцов применялась технология FDM 3d-печати.
Моделирование методом послойного наплавления - FDM (fused deposition modeling) - п роцесс печати методом послойного наплавления подразумевает послойное создание изделия за счет экструзии быстрозастывающего материала в виде микрокапель или тонких струй (рисунок 18).
Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде катушек, с которых материал подается в печатную головку, называемую «экструдером». Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением (CAM - Computer-aided manufacturing - автоматизированная система), привязанным к микроконтроллеру [39].
Рисунок 18 - Печать изделия по технологии FDM [40]
Основными материалами для печати по технологии FDM являются пластики ABS и PLA.
ABS (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) — это ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Сырьем для его производства является нефть. Этот пластик непрозрачный, легко окрашивается в разные цвета.
Достоинства ABS:
- долговечность,
- ударопрочность и относительная эластичность,
- нетоксичность,
- влаго- и маслостойкость,
- стойкость к щелочам и кислотам,
- широкий диапазон эксплуатационных температур: от −40 °С до +90 °С, у модифицированных марок до 103–113 °С.
Из недостатков надо упомянуть следующие:
-несовместимость с пищевыми продуктами, особенно горячими, при высокой температуре может выделять циановодород,
-неустойчивость к ультрафиолетовому излучению - изделия из него не подходят для использования на открытом воздухе,
-термоусадка заметно выше, чем у PLA,
-большая хрупкость, чем у PLA.
Рабочая температура выше, чем у PLA, и находится в диапазоне 210–270 °С. При работе с нитью ABS ощущается слабый запах. Кроме того, для лучшего прилипания первого слоя модели к рабочему столу требуется подогрев стола примерно до 110 градусов.
PLA (полилактид, ПЛА) - биоразлагаемый, биосовместимый полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для его производства служат возобновляемые ресурсы, например, кукуруза или сахарный тростник, поэтому материал является нетоксичным и может применяться для производства экологически чистой упаковки и одноразовой посуды, а также в медицине и в средствах личной гигиены. Рабочая температура ниже, чем у ABS: около 180–190°С.
Достоинства:
-низкий коэффициент трения, делающий его пригодным для изготовления подшипников скольжения,
-малая термоусадка, особенно в сравнении с ABS,
-менее хрупкий и более вязкий, чем ABS: при одинаковых нагрузках скорее согнется, чем сломается.
Недостатки:
-меньшая, чем у ABS, долговечность.
-более гигроскопичен, и даже при хранении требует соблюдения режима влажности, иначе может начаться расслоение материала и появление в нем пузырьков, что приведет к дефектам при изготовлении модели [41].
Последовательность изготовления образцов
Исследование было проведено на примере образцов разнофактурных изображений, образованных фактурами с упорядоченным точечным рисунком неровностей.
Было изготовлено несколько групп образцов с одинаковым точечным рисунком неровностей, но с варьируемой величиной зоны фактурного изображения.
Для создания образцов применялась технология FDM 3d-печати, материалом для которой был выбран пластик PLA.
3D-модели образцов разработаны в программе Autodesk 3ds Max (рисунок 19), сохранены в формате STL. В программе ReplicatorG (рисунок 20), полученные модели преобразовывались в G-code (Generate G-code) и задавались параметры их печати. Затем осуществлялась запись управляющей программы для 3D-принтера (рисунок 21).
Рисунок 19 - Рабочее окно программы Autodesk 3ds Max
Рисунок 20 - Рабочее окно программы ReplicatorG
Рисунок 21 - 3D-принтер Mbot Grid II [42]
Для печати образцов использован 3D-принтер Mbot Grid II (рисунок 21). Данное оборудование имеет область построения 250×220×200 мм, металлический каркас и две печатающие головки-экструдеры.
Поверхность рабочего стола принтера сделана из закаленного стекла, снизу имеются магнитные крепежи, благодаря которым можно легко отсоединить рабочий стол от принтера для работы с распечатанными изделиями. 3D принтер Mbot Grid II также оборудован вентиляторами для охлаждения зоны печати [42].
Параметры 3-d моделей образцов
При оформлении на изделии разнофактурного изображения помимо отмеченных выше факторов, необходимо учитывать: минимальную величину печатаемых неровностей, плотность их размещения и вариант расположения неровностей (сетку) фактуры.
С учетом отмеченного выше, для проведения исследования выполнены 3d модели четырех групп образцов: с варьируемым соотношением диаметров неровностей фона и изображения (рисунок 22), с варьируемой величиной зоны фактурного изображения (рисунок 24), с квадратной и ромбической сеткой фактуры (рисунок 26), с градиентным рисунком неровностей фона и изображения (рисунок 27).
В качестве изображения выбран лист.
3d модели образцов группы «L1» – с варьируемым соотношением диаметров неровностей фона и изображения
Количество 3d моделей данной категории - 3 штуки (рисунок 22). С учетом тех факторов, что при разных соотношениях диаметра неровностей фона и изображения восприятие разнофактурного меняется, было решено задать диаметры неровностей изображения в 2, в 1,75, в 1,5 раза меньшими, чем диаметр неровностей фона. Фактура моделей данной группы имеет квадратную сетку с s = S = 4 мм. Все образцы данной группы имеют различный диаметр неровностей изображения и одинаковый диаметр неровностей фона (таблица 2).
Рисунок 22 – 3d-модели образцов группы «L1»
Таблица 2 - Параметры 3d-моделей образцов группы «L1»
| № образца | Фактор | Параметры неровностей, мм | ||||||
| d1 | d2 | D | s = S | h1 | h2 | H | ||
| 1 | Диаметр неровностей изображения | 2,3 | 2,9 | 3,5 |
4
| 1,15 | 1,45 | 1,75 |
| 2 | 2 | 2,6 | 1 | 1,3 | ||||
| 3 | 1,7 | 2,3 | 0,85 | 1,15 | ||||
3d модели образцов группы «L2» – с варьируемой величиной зоны фактурного изображения
Количество 3d моделей данной категории – 8 штук. Фактура моделей данной группы имеет квадратную сетку с s = S = 4 мм (рисунок 23). Все образцы данной группы имеют одинаковый диаметр неровностей изображения и фона (таблица 3), масштаб изображения уменьшается (рисунок 24).
Рисунок 23 – Графическая модель образца с квадратной сеткой фактуры
Рисунок 24 – 3d-модели образцов группы «L2»
Таблица 3 - Параметры 3d-моделей образцов группы «L2»
| № образца | Фактор | Параметры неровностей, мм | |||||||
| d1 | d2 | D | s = S | h1 | h2 | H | |||
| 1 | Масштаб изображения | 1,1 | 2 | 2,6 | 3,5 |
4
| 1 | 1,3 | 1,75 |
| 2 | 1 | ||||||||
| 3 | 0,9 | ||||||||
| 4 | 0,8 | ||||||||
| 5 | 0,7 | ||||||||
| 6 | 0,6 | ||||||||
| 7 | 0,5 | ||||||||
| 8 | 0,4 | ||||||||
3d модели образцов группы «L3» – с сеткой фактуры ромб
Фактура моделей данной группы имеет ромбическую сетку с s = S= 2 мм (рисунок 25). Все модели данной группы имеют одинаковый диаметр неровностей изображения и фона (таблица 4), но разный масштаб изображения (рисунок 26).
Рисунок 25 – Графическая модель образца с ромбической сеткой фактуры
Рисунок 26 – 3d-модели образцов группы «L3»
Таблица 4 - Параметры 3d-моделей образцов группы «L3»
| № образца | Фактор | Параметры неровностей, мм | |||||||
| d1 | d2 | D | s = S | h1 | h2 | H | |||
| 1 | Масштаб изображения | 1,1 | 2 | 2,6 | 3,5 |
2
| 1 | 1,3 | 1,75 |
| 2 | 1 | ||||||||
| 3 | 0,9 | ||||||||
| 4 | 0,8 | ||||||||
| 5 | 0,7 | ||||||||
3d модели образцов группы «L4» – с градиентным рисунком неровностей фона и изображения
Фактура моделей данной группы имеет квадратную сетку с s = S = 4 мм. Неровности изображения и фона всех моделей данной группы имеют одинаковый диаметр неровностей и фона, а также различную высоту неровностей: 1- фона, 2- изображения, 3- фона и изображения (таблица 5).
Рисунок 27 – 3d-модели образцов группы «L4»
Таблица 5 - Параметры 3d-моделей образцов группы «L4»
| № образца | Фактор | Параметры неровностей, мм | ||||||
| d1 | d2 | D | s = S | h1 | h2 | H | ||
| 1 | Высота неровностей |
2
|
2,6
| 3,5 |
4
| 1 | 1,3 | 3,65-1,75 |
| 2 | 2,7-1 | 2,7-1,3 | 1,75 | |||||
| 3 | 2,7-1 | 2,7-1,3 | 1,75-3,65 | |||||
Кроме 3d-моделей образцов, выполнены еще и графические модели разнофактурного изображения (рисунок 28).
Рисунок 28 – Графическая модель разнофактурного изображения, где: a - длина разнофактурного изображения, мм; b - ширина разнофактурного изображения, мм; M - масштаб изображения; nx - количество рядов неровностей по ширине изображения; ny - количество рядов неровностей по длине изображения; z - количество изломов, приходящееся на участки исходного контура; отклонение D1, - отклонение контура фона, образованного неровностями с наибольшим диаметром, от исходного контура; отклонение D2, - отклонение контура изображения, образованного неровностями с наибольшим диаметром, от исходного контура; отклонение D3, - отклонение контура изображения, образованного неровностями с наименьшим диаметром, от исходного контура
По графическим моделям определены параметры распределения неровностей разнофактурных изображений относительно исходного контура изображения (таблица 6).
| N группы образцов | а, мм | b, мм | M | nx, рядов | ny, рядов | Количество изломов на участках исходного контура К | Отклонение D1, % | Отклонение D2, % | Отклонение D3, % | ||||||||
| К1 | К2 | К3 | К4 | К5 | среднее | max | среднее | max | среднее | max | |||||||
| L1 | 1 | 79,2
| 65,4
| 1:1 | 17
| 20
| 3
| 3
| 2
| 1
| 1
| 30,2
| 39,4
| 62,2 | 72,4 | 27,8 | 60,8 |
| 2 | 1:1 | 49,0 | 74,6 | 36,7 | 62,5 | ||||||||||||
| 3 | 1:1 | 65,0 | 77,8 | 30,8 | 64,7 | ||||||||||||
| L2
| 1 | 79,2 | 65,4 | 1:1 | 17 | 20 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 30,2 | 39,4 | 49,0 | 74,6 | 36,7 | 62,5 |
| 2 | 72,0 | 60,0 | 1:1,11 | 15 | 19 | 3 | 1 | 3 | 1 | 1 | 22,7 | 50,0 | 50,9 | 68,4 | 43,9 | 72,5 | |
| 3 | 64,8 | 53,6 | 1:1,25 | 13 | 17 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 25,0 | 36,8 | 48,7 | 68,0 | 21,6 | 63,5 | |
| 4 | 57,6 | 47,6 | 1:1,42 | 12 | 16 | 0 | 3 | 1 | 1 | 0 | 36,6 | 44,5 | 42,5 | 50,0 | 40,9 | 50,0 | |
| 5 | 50,4 | 41,7 | 1:1,66 | 10 | 13 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 28,3 | 37,4 | 43,9 | 61,5 | 38,7 | 80,0 | |
| 6 | 42,0 | 34,6 | 1:2 | 9 | 11 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 27,0 | 38,2 | 46,8 | 71,5 | 35,6 | 80,0 | |
| 7 | 38,0 | 30,6 | 1:2,5 | 7 | 10 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 18,6 | 38,5 | 42,8 | 56,1 | 34,4 | 50,0 | |
| 8 | 30,0 | 22,6 | 1:3,33 | 6 | 8 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | 20,6 | 50,0 | 40,7 | 64,2 | 38,4 | 66,5 | |
| L3 | 1 | 80,0 | 67,5 | 1:1 | 17 | 20 | 1 | 2 | 2 | 1 | 0 | 23,5 | 29,1 | 38,6 | 69,6 | 55,5 | 66,5 |
| 2 | 75,0 | 62,0 | 1:1,11 | 16 | 19 | 3 | 3 | 3 | 1 | 0 | 23,6 | 26,2 | 45,4 | 48,4 | 51,5 | 69,5 | |
| 3 | 67,7 | 55,5 | 1:1,25 | 14 | 17 | 3 | 3 | 2 | 1 | 2 | 25,2 | 37,1 | 27,4 | 42,3 | 48,6 | 56,0 | |
| 4 | 60,0 | 49,8 | 1:1,42 | 13 | 15 | 3 | 1 | 3 | 2 | 2 | 37,5 | 47,4 | 25,9 | 36,9 |
49,9
|
55,0
| |
| 5 | 52,9 | 43,7 | 1:1,66 | 12 | 13 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 25,6 | 34,4 | 33,8 | 41,5 | |||
Таблица 6 - Параметры распределения неровностей образцов относительно исходного контура
При сравнении определенных параметров можно отметить, что отклонение контура изображения от исходного не связано с изменением величины неровностей или масштабом изображения и, следовательно, эти факторы не будут влиять на восприятие разнофактурных изображений. Для групп образцов «L2» и «L3» параметром, зависимым от масштаба изображения, является число рядов сетки фактуры и количество изломов образованного контура.
По данным 3-d моделям были изготовлены образцы (рисунок 29).
а
б в
г
Рисунок 29 – Готовые образцы: а - серии «L2», б - серии «L1», в - серии «L3»,
г - серии «L4»
