DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.03.04

Аналіз конструктивних особливостей та ефективності застосування сучасних FDM принтерів для просторового друку полімерними термопластичними матеріалами

Vitalii Oleksyshen

Анотація


У роботі наведено основні параметри сучасного стану світового ринку обладнання адитивного виробництва. Для дослідження обрано найпоширеніший тип адитивної технології, а саме FDM (Fused Deposition Modeling) – формування методом наплавлення або 3Д друк термопластичним полімерним матеріалом. Дана технологія є найпоширенішою та використовується у промисловості, інженерному проектуванні, швидкому прототипуванні, освітньому процесі, наукових дослідженнях, медицині, дизайні тощо. Наведено основні роботи, що розглядають основні характеристики устаткування, систематизують їх за конструктивними особливостями та галузями застосування. Враховуючи недостатнє охоплення типів та конструкцій обладнання у цих роботах, проведено розширений огляд приладів на основі FDM технології. Класифікація обладнання базується на принципі переміщення виконавчих органів, а саме друкувальної головки та робочої платформи 3Д принтера. Виходячи з цього встановлено, що існує чотири основних схеми побудови FDM 3Д принтерів такі, як картезіанська, дельта, полярна та схеми на основі роботизованого маніпулятора. Представлено найбільш популярні моделі 3Д принтерів кожної із схем, розглянуто їхні основні переваги та недоліки, сфери та галузі застосування, приклади виробів, що виготовляються. Огляд показав, що найбільш розповюдженою схемою як у світі так і в Україні є картезіанська, що в свою чергу поділяється на ряд підвидів. Серед них особливо популярними являються Prusa, CoreXY та H-Bot схеми. Вони є найбільш універсальними, використовують практично всі типи витратного термопластичного матеріалу, включають практично весь необхідний для виробництва ряд типорозмірів робочої зони та є найбільш гнучкими до модернізації. Також показані FDM 3Д принтери на основі роботизованого маніпулятора. Розвиток даного типу устаткування є прикладом впровадження адитивних технологій у серійне автоматизоване виробництво. Аналіз основних сфер застосування та основних переваг та недоліків кожного з типів 3Д принтерів, дало змогу надати рекомендації щодо вибору обладнання для просторового друку залежно від виду діяльності.  

Ключові слова


3D принтер; аддитивна технологія; просторовий друк; FDM; кінематична схема; полімерні матеріали

Повний текст:

PDF

Посилання


Xiao-Su Yi, Shanyi Du, Litong Zhang, (eds.). Composite Materials Engineering. Fundamentals of Composite Materials. Springer, Singapore, 2018, Vol. 1, doi: 10.1007/978-981-10-5696-3.

Vasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structures. 4th ed. Elsevier, 2018, doi: 10.1007/620-982-10-5696-3.

Kolosov, A.E. Preparation of Nano-Modified Reactoplast Polymer Composites. Part 1. Features of used nanotechnologies and potential application areas of nanocomposites. Chemical and Petroleum Engineering, 2015, Vol. 51 (7-8), pp. 569-573, doi: 10.1007/s10556-015-0088-y.

Kolosov, A.E. Preparation of Reactoplastic Nano-Modified Polymer Composites. Part 5. Advantages of using nano-modified structural carbon-fiber composites. Chemical and Petroleum Engineering, 2017, Vol. 52 (9-10), pp. 721-725, doi: 10.1007/s10556-017-0259-0.

Ivitskiy, I., Sivetskiy, V., Bazhenov, V., Ivitska, D. Modeling the electrostatic control over depth of the introduction of intelligent sensors into a polymer composite material,” Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2017, Vol.1, no. 5 (85), pp. 4-9, doi: 10.15587/1729-4061.2017.91659.

Sivetskyy V. I., Khalimovskyy O. M., Sokolskyy O. L., Ivitskiy I. I. Automation of intelligent sensor injection inlet in polymer moldings by using vector controlled electric drive In: Proceedings of the IEEE 1st Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON '17), IEEE, Kiev, 2017, pp. 534-537, doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100297.

Benzait Z., Trabzon L. A review of recent research on materials used in polymer–matrix composites for body armor application. Journal of Composite Materials, 2018, publ. March 14, doi: 10.1177/002198318764002.

Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Kolosova E. P., Vanin V. V., Gondlyakh A. V., Sidorov D. E., Ivitskiy I. I. Creation of Structural Polymer Composite Materials for Functional Application Using Physicochemical Modification. Advances in Polymer Technology, 2019, p. 12, doi: 10.1155/2019/3501456.

Sakharov A. S., Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Sokolskii A. L. Modeling of Polymer Melting Processes in Screw Extruder Channels. Chemical and Petroleum Engineering, 2013, Vol. 49 (5-6), pp. 357-363. doi: 10.1007/s10556-013-9755-z.

Kolosov A. E., Virchenko G. A., Kolosova E. P., Virchenko G. I. Structural and technological design of ways for preparing reactoplastic composite fiber materials based on structural parametric modeling. Chemical and Petroleum Engineering, 2015, Vol. 51 (7-8), pp. 493-500, doi: 10.1007/s10556-015-0075-3.

Borelli V. Kinematic and dynamic analysis of a machine for additive manufacturing. Torino, 2018, p. 113, doi: 10.3390/machines5040029.

Hejtmanek M. Additive Manufacturing Technologies Utilization in Process Engineering, Prague, 2017, doi: 10.1007/s00170-015-7077-3.

Prusa research. Available at: https://www.prusa3d.com/ (accessed 09.02.2020).

MakerBot Industries. Available at: https://www.makerbot.com/ (accessed 09.02.2020).

Ultimaker BV. Available at: https://ultimaker.com/ (accessed 09.02.2020).

Weikert S., Ratnaweera R., Zirn O., Wegener K. Modeling and measurement of H-Bot kinematic systems. Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich, 2010.

Professional printing. Available at: http://www.pp3dp.com/ (accessed 09.02.2020).

Cosine. Available at: https://www.cosineadditive.com/ (accessed 09.02.2020).

Fabbaloo. 3 d printing news. Available at: https://www.fabbaloo.com/blog/2014/7/2/the-tekma3d-tm1-3d-printer (accessed 09.02.2020).

What is a Delta 3D Printer? – Simply Explained. Available at: https://all3dp.com/2/what-is-a-delta-3d-printer-simply-explained/ (accessed 09.02.2020).

Mass Portal D300. Available at: https://www.3d-tulostus.fi/Mass-Portal-D300/en (accessed 09.02.2020).

Prism Pro Dual 3D Quality. Available at: https://www.aniwaa.com/product/3d-printers/3dquality-prism-pro-dual/ (accessed 10.02.2020).

A4 (Kit) Anet. Available at: https://www.aniwaa.com/product/3d-printers/anet-a4-kit/ (accessed 11.02.2020).

The #1 platform and marketplace for 3D printing in education. Available at: https://polar3d.com/ (accessed 11.02.2020).

DOBOT M1 SCARA Collaborative Robot Arm. Available at: https://www.dobot.cc/dobot-m1/product-overview.html (accessed 11.02.2020).


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Xiao-Su Yi, Shanyi Du, Litong Zhang, (eds.). Composite Materials Engineering. Fundamentals of Composite Materials. Springer, Singapore. 2018. Vol. 1. doi: 10.1007/978-981-10-5696-3.
  2. Vasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structures. 4th ed. Elsevier. 2018. doi: 10.1007/620-982-10-5696-3.
  3. Kolosov A. E. Preparation of Nano-Modified Reactoplast Polymer Composites. Part 1. Features of used nanotechnologies and potential application areas of nanocomposites. Chemical and Petroleum Engineering. 2015. Vol. 51 (7-8), рр. 569-573. doi: 10.1007/s10556-015-0088-y.
  4. Kolosov A. E. Preparation of Reactoplastic Nano-Modified Polymer Composites. Part 5. Advantages of using nano-modified structural carbon-fiber composites. Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52 (9-10), рр. 721-725. doi: 10.1007/s10556-017-0259-0.
  5. Ivitskiy I., Sivetskiy V., Bazhenov V., Ivitska D. Modeling the electrostatic control over depth of the introduction of intelligent sensors into a polymer composite material. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 1. no. 5 (85). pp. 4-9. doi: 10.15587/1729-4061.2017.91659.
  6. Sivetskyy V. I., Khalimovskyy O. M., Sokolskyy O. L., Ivitskiy I. I. Automation of intelligent sensor injection inlet in polymer moldings by using vector controlled electric drive In: Proceedings of the IEEE 1st Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON '17), IEEE. Kiev, 2017, pp. 534-537. doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100297.
  7. Benzait Zineb, Trabzon Levent. A review of recent research on materials used in polymer–matrix composites for body armor application. Journal of Composite Materials, 2018, Publ. March 14. doi: 10.1177/002198318764002.
  8. Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Kolosova E. P., Vanin V. V., Gondlyakh A. V., Sidorov D. E., Ivitskiy I. I. Creation of Structural Polymer Composite Materials for Functional Application Using Physicochemical Modification. Advances in Polymer Technology, 2019. 12 р. doi: 10.1155/2019/3501456.
  9. Sakharov A. S., Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Sokolskii A. L. Modeling of Polymer Melting Processes in Screw Extruder Channels. Chemical and Petroleum Engineering. 2013, Vol. 49 (5-6), pp. 357-363. doi: 10.1007/s10556-013-9755-z.
  10. KolosovA. E., Virchenko G. A., Kolosova E. P., Virchenko G. I. Structural and technological design of ways for preparing reactoplastic composite fiber materials based on structural parametric modeling. Chemical and Petroleum Engineering. 2015. Vol. 51 (7-8). Р. 493-500. doi: 10.1007/s10556-015-0075-3.
  11. Borelli V. Kinematic and dynamic analysis of a machine for additive manufacturing. Torino, 2018. 113 р. doi: 10.3390/machines5040029.
  12. Hejtmanek M. Additive Manufacturing Technologies Utilization in Process Engineering. Prague, 2017. doi: 10.1007/s00170-015-7077-3.
  13. Prusa research. URL: https://www.prusa3d.com/ (дата звернення 09.02.2020).
  14. MakerBot Industries. URL: https://www.makerbot.com/ (дата звернення 09.02.2020).
  15. Ultimaker BV. URL: https://ultimaker.com/ (дата звернення 09.02.2020).
  16. Weikert S., Ratnaweera R., Zirn O., Wegener K. Modeling and measurement of H-Bot kinematic systems. Swiss Federal Institute of Technology. ETH. Zurich. 2010.
  17. Professional printing. URL: http://www.pp3dp.com/ (дата звернення 09.02.2020).
  18. Cosine. URL: https://www.cosineadditive.com/ (дата звернення 09.02.2020).
  19. Fabbaloo. 3 d printing news. URL: https://www.fabbaloo.com/blog/2014/7/2/the-tekma3d-tm1-3d-printer (дата звернення 09.02.2020).
  20. What is a Delta 3D Printer? – Simply Explained. URL: https://all3dp.com/2/what-is-a-delta-3d-printer-simply-explained/ (дата звернення 09.02.2020).
  21. Mass Portal D300. URL: https://www.3d-tulostus.fi/Mass-Portal-D300/en (дата звернення 09.02.2020).
  22. Prism Pro Dual 3D Quality. URL: https://www.aniwaa.com/product/3d-printers/3dquality-prism-pro-dual/ (дата звернення 10.02.2020).
  23. A4 (Kit) Anet. URL: https://www.aniwaa.com/product/3d-printers/anet-a4-kit/ (дата звернення 11.02.2020).
  24. The #1 platform and marketplace for 3D printing in education. URL: https://polar3d.com/ (дата звернення 11.02.2020).\
  25. DOBOT M1 SCARA Collaborative Robot Arm. URL: https://www.dobot.cc/dobot-m1/product-overview.html (дата звернення 11.02.2020).