Справочник Аддитивщик
24 октября 2023 г.Что же такое аддитивные технологии? Это технологии создания трёхмерных объектов, деталей или вещей путем послойного добавления материала, а также всё, что с этим связано. Создавать объекты можно из пластика, металла, бетона и даже биосовместимой ткани.
Такие трёхмерные или 3D-объекты создаются с помощью 3D-принтеров. Название технологий произошло от английского слова add — добавлять, или additive — добавка, добавочный.
Задание
Сегодня вы попробуете себя в роли специалиста по аддитивным технологиям.
Ваша задача — создать деталь из металла с помощью аддитивных технологий.
И не простую деталь, а специальную вращающуюся крыльчатку для турбины двигателя! Вы сможете отсканировать эталонную деталь, чтобы создать по её образу трёхмерную модель для печати, подготовить материалы и оборудование, а также проверить — получилось ли в итоге воспроизвести все нужные размеры.
Зачем нужен турбонаддув
Специалистам всегда важно понимать, с какой деталью они имеют дело. Давайте вспомним устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания!
Сгорание топлива происходит в камере сгорания, которая расположена внутри цилиндра двигателя, куда жидкое топливо вводится в смеси с воздухом или раздельно. Тепловая энергия, полученная при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. Продукты сгорания удаляются из цилиндра, а на их место всасывается новая порция топлива.
Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндры, тем выше КПД двигателя. Но если просто подать больше топлива, двигатель не станет эффективнее: нужно увеличить и объём воздуха, чтобы топливо сгорало полностью.
Только есть проблема: воздух, который в конце такта поступает в двигатель, разреженный. Система турбонаддува, или нурбонагнетателя, позволяет подавать в цилиндры двигателя больше воздуха, причем под давлением. Это делает двигатель мощнее и экологичнее.
Температура воздуха после компрессора может достигать 200 градусов по Цельсию, а вращение турбины на максимальных оборотах достигает 250 тысяч оборотов в минуту. Поэтому крыльчатка — вращающийся винт особой формы, который используется в такой системе, — должна быть прочной, лёгкой и желательно недорогой.
Часть 1. Подготовка и сканирование
Для начала познакомимся с деталью, которую вам надо улучшить и воссоздать. Чтобы сделать её с помощью аддитивных технологий, нам понадобится объёмная модель. Самый простой способ её создать — сделать трёхмерный «отпечаток» готовой крыльчатки с помощью 3D-сканера.
Но объект, который нужно сканировать, может быть слишком блестящим и отражать лучи сканера, и из-за этого модель будет неточной. Или форма может быть настолько сложной, что без дополнительной калибровки ничего не выйдет.
Как пройти это задание?
На экране появится изображение существующей крыльчатки компрессора турбины. Чтобы её отсканировать, выполняйте действия в правильном порядке.
Нанести матирующий спрей. Вы должны обеспечить хороший «трекинг», то есть сканирование поверхности. Для этого все блестящие элементы, которые сканеру сложно оцифровать, делают матовыми, то есть не блестящими.
Наклеить позиционные метки. Применение светоотражающих маркеров решает две отдельные проблемы 3D‑сканирования: так полученные данные точнее совмещаются на трёхмерной модели, а ещё это упрощает оцифровку крупных объектов.
Настроить выдержку сканирования. Здесь принцип действия, как у фотоаппарата. Чем меньше выдержка, тем меньше информации попадает на сканер. Но и слишком высокая выдержка тоже не подходит — так можно упустить отдельные элементы или получить неточную модель. Кстати, современные устройства автоматически подбирают выдержку для поверхности объекта. Для задания подойдёт значение 75 мс.
Определить оптимальное расстояние до объекта. И снова всё похоже на фотосъёмку. Если держать сканер слишком далеко или слишком от объекта, то результат выйдет так себе! Сейчас 20 см достаточно.
Приступить к сканированию. Нужно обойти вокруг объекта, чтобы запечатлеть отдельные выпуклости и щели. В итоге вы получите модель детали целиком. Вуаля, вы восхитительны!
Приступаем! Двигайте сканером по детали, чтобы 3D-модель появилась в программе. Попробуйте охватить все участки сканируемой крыльчатки несколько раз. Ну, для надёжности.
Часть 2. Выбор материала
Аддитивные технологи богаты на используемые материалы! Самым первым подобным изделием стал пластиковый стаканчик, который напечатали в 1983 году. Сегодня детали и объекты можно изготовить из разных пластиков и полимеров, металлов, органических тканей, смол.
Давайте и для нашей задачи выберем подходящий материал! Для этого ответьте на пять вопросов. Переворачивайте карточки: на обороте спрятаны подсказки.
Как пройти это задание?
Очень просто! Можете наугад прощёлкать все варианты. Можете подумать, спросить кого-нибудь, почитать про свойства материала на карточке, чтобы ответить наверняка. А можете просто подглядеть в наши ответы:
Биосовместимый материал, из которого можно сделать протез сустава аддитивным методом.
Это, конечно же, титан.
Этот металл обладает высокой теплопроводностью, поэтому незаменим в системах охлаждения и кондициониирования.
Речь идёт о меди и сплавах на её основе.
Выберите свойство, которое больше всего соответствует полиамиду из всех представленных материалов.
Печать металлами — весьма сложный производственный процесс. А вот полиамид — это пластик, широко распространённый в бытовой 3D-печати. Так что такой принтер может стоять у вас школе или даже дома!
Благодаря этому свойству алюминий выбирают для создания деталей автомобилей и самолётов чаще, чем титан.
На самом деле алюминий и титан постоянно соревнуются друг с другом, когда речь заходит об аэрокосмической промышленности. Но у алюминия есть два преимущества: он легче и дешевле.
Этот материал лучше всего подойдёт для создания прототипа турбины гоночного автомобиля.
Наконец, мы дошли до финального вопроса. Так как мы строим двигатель не для ракеты, а для болида, давайте попробуем использовать алюминиевый порошок!
Часть 3. Процесс печати
Когда трёхмерная модель загружена в программу для принтера, вам остаётся нажать всего пару кнопок. Компьютер автоматически «нарежет» модель на слои, которые потом будут печататься один за другим.
Однако специалисту важно подумать, как оптимизировать ресурс производства. Некоторые изделия печатаются больше суток! На это влияет размер, объём материала и «чистота» проработки.
Например, можно сделать деталь с не очень аккуратной поверхностью, а потом её отшлифовать. И это будет быстрее и дешевле, чем делать её максимально гладкой при печати.
Каждое изделие уникально, поэтому за эти вопросы каждый раз отвечает аддитивщик.
Как пройти это задание?
Здесь всё просто! У вас есть два ползунка.
Обратите внимание: внешний контур крыльчатки турбонагнетателя должен быть максимально гладким, чтобы он не испортился при дальнейшей обработке. Поэтому тут ползунок лучше установить поближе к значению «медленно».
А вот внутренний объём можно печатать чуть быстрее — металлический порошок всё равно сплавится под воздействием лазера и не потеряет в качестве, зато вы сэкономите время и электроэнергию. Так что тут ставим значение побыстрее.
Переходим к следующему заданию! Вам нужно правильно распределить последовательность действий при 3D-печати металлом. Попробуйте сделать это самостоятельно.
Если вдруг у вас возникли сложности, то не стесняйтесь обратиться к ответам ниже.
Нанести слой металлического порошка
Включить лазер и сварить слой металла
Повторить эти действия для всех слоев
Убрать излишки порошка
Часть 4. Проверка
Когда излишки порошка убраны, можно доставать из аппарата готовую деталь. Но готова она лишь на словах: её ещё нужно не раз проверить и убедиться, что при печати не возникло никаких ошибок и геометрических артефактов.
Как пройти это задание?
Используя поле отклонений после сканирования, оцените полученную геометрию детали и решите, пригодна ли она для дальнейшего использования.
Поле отклонений — это визуальное отображение разных дефектов, которые уловил сканер. На картинке они отображены красным.
После того, как вы нашли все недочёты и внесли коррективы в технологический процесс, получилась новая отличная крыльчатка! Её смело можно передавать заказчику.
Ура! Задание выполнено!