Введение в аддитивные технологии. Т. 1. Обзор основных технологий 3D-печати
Покупка
Тематика:
Общетехнические дисциплины
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 352
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-907560-37-6
Артикул: 831414.01.99
Учебник посвящен быстро развивающимся технологиям аддитивного производства и 3D-печати. Кратко рассмотрены возникновение и история развития аддитивных технологий, а также их значение для технологического развития современного общества. С помощью технологии аддитивного производства автоматически производятся компоненты из различных материалов, таких как пластмассы, металлы и сплавы, биоматериалы и керамика. Вот уже несколько десятилетий методы 3D-печати используются в дизайне, строительстве и на транспорте, а также в аэрокосмической, производственной и медицинской отраслях. В учебнике помимо описания основных технологий 3D-печати рассмотрены характеристики используемых при 3D-печати материалов, общие особенности напечатанных моделей и методы их постобработки.
Будет полезен промышленным экспертам, предпринимателям, профессорам и студентам университетов, исследователям.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 02.03.02: Фундаментальная информатика и информационные технологии
- 09.03.02: Информационные системы и технологии
- 29.03.01: Технология изделий легкой промышленности
- 38.03.02: Менеджмент
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
МИ НИ С Т ЕРС Т ВО НА УКИ И ВЫС ШЕГО ОБРА З ОВА НИ Я РФ № 4674 УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК Кафедра автоматизированного проектирования и дизайна М.В. Канищев Л.М. Ульев ВВЕДЕНИЕ В АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Том 1 ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-ПЕЧАТИ Учебник Рекомендовано редакционно-издательским советом университета Москва 2023
УДК 004.9 К19 Р е ц е н з е н т д-р экон. наук, доц., заслуженный работник Санкт-Петербургского горного университета Е.И. Рейшахрит; д-р техн. наук, проф., профессор кафедры АСУ Университета МИСИС В.В. Куприянов Канищев, Максим Викторович. К19 Введение в аддитивные технологии. Т. 1. Обзор основных технологий 3D-печати : учебник / М.В. Канищев, Л.М. Ульев. – Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2023. – 352 с. ISBN978-5-907560-37-6 Учебник посвящен быстро развивающимся технологиям аддитивного производства и 3D-печати. Кратко рассмотрены возникновение и история развития аддитивных технологий, а также их значение для технологического развития современного общества. С помощью технологии аддитивного производства автоматически производятся компоненты из различных материалов, таких как пластмассы, металлы и сплавы, биоматериалы и керамика. Вот уже несколько десятилетий методы 3D-печати используются в дизайне, строительстве и на транспорте, а также в аэрокосмической, производственной и медицинской отраслях. В учебнике помимо описания основных технологий 3D-печати рассмотрены характеристики используемых при 3D-печати материалов, общие особенности напечатанных моделей и методы их постобработки. Будет полезен промышленным экспертам, предпринимателям, профессорам и студентам университетов, исследователям. УДК 004.9 Канищев М.В., Ульев Л.М., 2023 ISBN978-5-907560-37-6 НИТУ МИСИС, 2023
Содержание Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Основные сокращения и обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Введение и аналитический обзор: Индустрия 4.0 и аддитивное производство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 В.1. Выгоды и риски Индустрии 4.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 В.2. Технические аспекты Индустрии 4.0 и облачного производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 В.2.1. Критерии прогресса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 В.2.2. Концепции Индустрии 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 В.3. Облачное производство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 В.3.1. Определение, концепция и технологии облачного производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 В.3.2. Текущее состояние исследований новой парадигмы облачного производства . . . . . . . . . . . . 38 В.4. Сравнительный анализ облачного производства и Индустрии 4.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 В.5. Роль аддитивного производства в эпоху нового технологического уклада – Индустрии 4.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 В.5.1. Организация «умных фабрик». . . . . . . . . . . . . . . . 45 В.5.2. Материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 В.5.3. Процессы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 В.5.4. Проектирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 В.5.5. Недостатки и будущее аддитивного производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 ГЛАВА 1. Этапы становления аддитивного производства. . . . 63 1.1. История появления аддитивных технологий. . . . . . . . 63 1.2. История становления 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.2.1. Зарождение идеи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.2.2. Доступность 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 1.3. 3D-печать сегодня. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 1.3.1. Дальнейшее развитие 3D-печати . . . . . . . . . . . . . . 74 3
Содержание 1.4. Будущее. 4D-печать: новые материалы, меняющие характеристики и форму. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 1.4.1. Память формы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 ГЛАВА 2. Знакомство с технологией 3D-печати . . . . . . . . . . . 86 2.1. Классификация технологий, применяемых в производстве. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.2.1. Формовочные методы (литьевое прессование, отливка, штамповка, выковка). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 2.1.2. Субтрактивные методы (станки с ЧПУ, обтачивание, сверление) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.1.3. Аддитивное производство (3D-печать). . . . . . . . . . 89 2.1.4. Сравнение по стоимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.2. Процесс 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.2.1. Создание 3D-файла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.2.2. Создание STL-файла и операции над ним. . . . . . . . 93 2.2.3. Печать. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.2.4. Удаление напечатанного. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.2.5. Постобработка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 ГЛАВА 3. Введение в методы 3D-печати и их классификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.1. Классификация технологий 3D-печати. . . . . . . . . . . . . 99 3.2. Материалы, применяемые в 3D-печати. . . . . . . . . . . . 105 3.2.1. Полимеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.2.2. Металл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.3. Другие материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 ГЛАВА 4. Экструзионные методы 3D-печати . . . . . . . . . . . . 109 4.1. Экструзия материала – FFF (FDM) . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.1.1. Технологии экструзии филамента. 3D-печать методом послойного наплавления (FFF/FDM). . . . . . . . 110 4.1.2. Конструкция и характеристики принтеров для FDM 3D-печати. Параметры этих принтеров. . . . . . 110 4
Содержание 4.2. Аддитивное производство с помощью шнековой экструзии гранулированного материала . . . . . . . . . . . . . . 146 4.2.1. Некоторые ограничения, присущие 3D-печати с помощью экструзии филамента . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.2.2. Устройство полимерного экструдера . . . . . . . . . . 147 4.2.3. Качественный анализ работы полимерного экструдера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.2.4. Современное состояние 3D-печати методом экструзии из гранул. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 ГЛАВА 5. Особенности FFF/FDM печати. . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.1. Искривление слоев при FFF/FDM печати. . . . . . . . . . 161 5.2. Межслойная адгезия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 5.3. Поддержки для печатаемых деталей на FFF/FDM-принтерах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.4. Растворимые поддержки при FFF-печати. . . . . . . . . . 165 5.5. Заполнение области печати в FFF/FDM-технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.6. Точность FFF-печати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.7. Материалы для FFF/FDM-печати . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.8. Свойства филаментов, применяемых для FFF/FDM-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.9. Свойства наиболее популярных пластмассовых филаментов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 5.9. Полимерные материалы с наполнителем ля экструзии материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5.10. Постобработка деталей после FFF-печати. . . . . . . . . 175 5.11. Преимущества и ограничения FFF/FDM-печати . . . . 178 5.12. Промышленная и настольная FFF-печать. . . . . . . . . 178 5.13. Типичные области применения FFF/FDM-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.14. Новые разработки в технологии FFF/FDM-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5
Содержание 5.15. Металлическая FFF/FDM-печать – Metal X от Markforged и Desktop Metal DM Studio . . . . . . . . . . . . . 186 5.16. Интеграция электронных схем – Voxel8 DK. . . . . . . 188 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 ГЛАВА 6. Полимеризация в резервуаре (ванночке) – SLA/DLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 6.1. Технологии полимеризации в резервуаре. . . . . . . . . . 191 6.1.1. Стереолитография (SLA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 6.1.2. Цифровая светодиодная проекция (DLP). . . . . . . 194 6.1.3. SLA против DLP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 6.2. Характеристики SLA/DLP-принтеров . . . . . . . . . . . . 196 6.2.1. Параметры принтера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 6.2.2. Печать в направлениях снизу вверх и сверху вниз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 6.2.2.1. Печать снизу вверх . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 6.3. Структуры поддержки при SLA-печати . . . . . . . . . . . 204 6.4. Точность размеров при SLA/DLP печати. . . . . . . . . . 204 6.5. Материалы, использующиеся для SLA/DLP-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 6.6. Постобработка моделей, изготовленных на SLA/DLP принтерах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 6.7. Преимущества и ограничения SLA/DLP-печати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 6.8. Промышленная и настольная печать полимеризацией в резервуаре. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 6.9. Распространенные области применения SLA/DLP-технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.10. Новые разработки в SLA/DLP-технологиях. . . . . . . 213 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 ГЛАВА 7. Технология плавки порошков (полимеры) – SLS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.1. Технологии плавки порошков, изготовленных из полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 6
Содержание 7.2. Характеристики SLS-принтеров . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.2.1. Параметры SLS-принтера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.2.2. Наполнение лотков в SLS-принтерах. . . . . . . . . . 220 7.2.3. Адгезия слоев при SLS-печати . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.3. Точность размеров при SLS-печати. . . . . . . . . . . . . . . 222 7.4. Материалы, применяемые при SLS-печати. . . . . . . . . 223 7.5. Постобработка изделий, полученных при SLS-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 7.6. Преимущества и ограничения при SLS-печати. . . . . . 227 7.7. Наиболее распространенные области применения SLS-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7.7.1. Изготовление функциональных деталей. . . . . . . 228 7.7.2. Особенности мелкосерийного производства изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 7.7.3. Печать сложных каналов (с полым профилем). . . . 229 7.8. Перспективы новых разработок в SLS-технологиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.9. Печать с помощью мультиструйной плавки – НР. . . . 230 7.10. Настольные SLS-принтеры Shareboot SnowWhite, Sintarec, Sinterit и Formlabs Fuse 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 ГЛАВА 8. Краткое описание технологии струйной 3D-печати (DOD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.1. Технологии струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.2. Метод печати – подача по требованию. . . . . . . . . . . . . 237 8.3. Параметры принтеров, применяемых при струйной 3D-печати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 8.4. Поддержки при струйной печати. . . . . . . . . . . . . . . . . 239 8.5. Матовая и глянцевая струйная печать . . . . . . . . . . . . 240 8.6. Соблюдение точности размеров при струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 8.7. Основные материалы, используемые при струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 7
Содержание 8.8. Особенности постобработки в струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 8.9. Основные преимущества и ограничения струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 8.10. Наиболее распространенные области применения струйной 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 8.11. Новые разработки для технологии струйной печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 ГЛАВА 9. Технология струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.1. Технологии струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.1.1. Струйная печать связующим веществом с песком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.1.2. Полноцветные модели при струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 9.1.3. Печать песчаных стержней и форм для отливки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.1.4. Струйная печать связующим веществом с металлом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.2. Характеристики принтеров для струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.2.1. Основные параметры принтера для струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.2.2. Прочность изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.2.3. Заполнение лотка для порошка . . . . . . . . . . . . . . 257 9.3. Точность размеров при струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.4. Наиболее распространенные материалы, использующиеся при струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.5. Постобработка после струйной печати связующим веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 8
Содержание 9.6. Основные преимущества и недостатки струйной печати связующим веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 9.7. Наиболее распространенные области применения струйной печати связующим веществом . . . . . . . . . . . . . . 261 9.7.1. Полноцветные модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.7.2. Струйная печать связующим веществом песчаных форм для литья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.7.3. Функциональные металлические изделия. . . . . . 263 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 ГЛАВА 10. 3D-печать металлических изделий. . . . . . . . . . . 265 10.1. Технологии плавки металлических порошков. . . . . 265 10.1.1. Аддитивное производство и дизайн металлических прототипов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 10.1.2. Влияние технологических параметров на аддитивное производство и маршрутизация производства металлических компонентов . . . . . . . . . . 267 10.1.3. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и выборочная лазерная плавка (SLM). . . . . . . . . . . . . . . 271 10.1.4. Электронно-лучевая плавка (ЕВМ). . . . . . . . . . . 274 10.2. Характеристики принтера для плавки металлических порошков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 10.2.1. Параметры принтера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 10.2.2. Поддержки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 10.2.3. Управление качеством поверхности изделий при печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 10.3. Соблюдение точности размеров в DMLS/SLM-технологиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 10.4. Материалы для 3D-печати плавкой металлических порошков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.5. Особенности постобработки изделий после DMLS/SLM-технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 10.6. Основные преимущества и недостатки DMLS/SLM-технологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 10.6.1. Общие особенности методов DMLS/SLM 3D-печати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 9
Содержание 10.6.2. Плавка металлических порошков или струйная печать связующим веществом. . . . . . . . . 283 10.7. Распространенные области применения технологий DMLS/SLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10.7.1. Стоматологическое применение. . . . . . . . . . . . . 284 10.7.2. Медицинское применение. . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 10.7.3. Аэрокосмическая и автомобильная области применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 10.8. Электродуговое наращивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 10.8.1. DED-технология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 10.8.2. WAAM-принтер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 ГЛАВА 11. Основные правила для правильного выбора технологии 3D-печати. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Глоссарий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338