Технология производства продукции

3D принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D модели.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта. Система 3D чрезвычайно универсальна и быстра, позволяет получать прототипы сложной геометрии во множестве областей применения, а также из различных материалов которые используются ведущими производителями (акрил, бетон, гидрогель, бумага, металлический порошок, поликапролактон (PCL), полилактид (PLA), полипропилен (PP)).

В таблице 4 представлены основные технологии печати 3D принтера.

Таблица 4 – Технологии печати

Тип	Технология	Печать несколькими материалами одновременно	Цветная печать	Описание
Экструзия	Моделирование методом наплавления (англ. Fused deposition modeling, FDM)	возможно	возможна	Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта
Робокастинг (англ. Robocastingили Direct Ink Writing, DIW)	возможно	возможна	«Чернила» (обычно керамический шлам) выходят из сопла в жидком состоянии, но сразу же принимают нужную форму благодаря псевдопластичности.
Фотополимеризация	Лазерная стереолитография(англ. laser stereolithography, SLA)	невозможно	невозможна	ультрафиолетовый лазер засвечивает жидкий фотополимер (через фотошаблон, или постепенно, пиксель за пикселем)
SLA-DLP	невозможно	невозможна	DLP-проектор засвечивает фотополимер
Формирование слоя на выровненном слое порошка	англ. 3D Printing, 3DP	невозможно	возможна	склеивания порошка путем нанесения жидкого клея с помощью струйной печати
Электронно-лучевая плавка (англ.Electron-beam melting, EBM)	невозможно	невозможна	плавление металлического порошка электронным лучом в вакууме
Селективное лазерное спекание (англ. Selective laser sintering, SLS)	невозможно	невозможна	плавление порошка под действием лазерного излучения
англ. Direct metal laser sintering, DMLS	невозможно	невозможна	плавление металлического порошка под действием лазерного излучения
англ. Selective heat sintering, SHS	невозможно	невозможна	плавление порошка нагревательной головкой
Подача проволочного материала	англ. Electron beam freeform fabrication, EBF	возможно	возможна	плавление подаваемого проволочного материала под действием электронного излучения
Ламинирование	Изготовление объектов с использованием ламинирования (англ. Laminated object manufacturing, LOM)	возможно	возможна	деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер (или режущий инструмент) вырезает в каждом контуре сечения будущей детали
Точечная подача порошка	Directed Energy Deposition	возможно	возможна	подаваемый порошок плавится под действием лазерного или электронного луча
Струйная печать	Метод многоструйного моделирования (Multi Jet modeling)	возможно	возможна	рабочий материал наносится с помощью струйной печати

 

Наше предприятие в своей деятельности будет использовать два 3D принтера и один 3D сканер.

Таблица 5 – Перечень оборудования и его характеристики

Полное название оборудования	3D принтер 3D Systems ProJet 460Plus (ZPrinter 450)	3D-принтер Stratasys uPrint SE Plus
Стоимость	3 656 250 рублей	70 000 рублей
Используемая технология	ColorJet Printing (CJP)	FDM (Fused Deposition Modeling)
Размер рабочей камеры	203×254×203 мм	203х203х152 мм
Разрешение печати	300x450 dpi	-
Параметры печати: - Толщина слоя - Режимы печати - Параметры печатающего блока - Скорость выращивания - Поддержка цветной печати - Максимальная производительность	0,1 мм автоматический 604 сопла   23 мм/час по вертикали 180 000 цветов   до 1 180 см³/час	0,254 мм/0,330 мм настраиваемый голова – 1, сопел – 2   15 см3/час 9 цветов   22 см3/час
Поддерживаемые материалы	VisiJet PXL Core — композитный материал на основе гипса, порошок белого цвета VisiJet PXL — связующее вещество, цвета: черный, голубой, пурпурный, желтый.	ABSplus-P430 — инженерный пластки, цвет: слоновой кости, черный, красный, оливковый зеленый, нектарин, флуоресцентный желтый, синий, серый
Программное обеспечение: - Программное обеспечение - Поддерживаемые форматы файлов   - Интерфейс подключения - Совместимые ОС	3DPrint, 3DEdit   3DS, BLD, FBX, STL, PLY, SFX, VRML, ZBD, ZCP, ZPR Ethernet TCP/IP   Windows7, WindowsXP Professional, Windows Vista Business	Catalyst EX   STL     Ethernet TCP/IP 10/100 base T   Windows XP, Windows Vista, Windows7,Windows 8
Требования к помещению: - Питание - Температура - Влажность воздуха	100-240 В, 15-7,5 А 16° – 27° C 40 – 60%	220В 50/60 Гц - -
Габариты оборудования: - Длина х Ширина х Высота - Вес	122×79×140 см   193 кг	635×660×800 мм   76 кг

 

Таблица 6 – Характеристики 3D сканера

Полное название	3D-сканер Artec Eva
Технология 3D сканера: - Оптическая   - Источник света - Разрешение камер	Использование источника света и оптических камер Лампа-вспышка 1,3 Мп
Свойства 3D-сканирования: - Передача цвета - Захват текстур - 3D разрешение - Точность - Скорость сканирования - Площадь сканирования - Рабочее состояние до объекта - Угол триангуляции (поле видимости камер) - Скорость сбора данных - Многоядерная обработка данных - Время экспонирования - Частота видео съемки	Да Да 0,5 мм 0,1 мм 2 000 000 точек/секунда от 214x148 мм до 536x371 мм 0,4-1 м 30 x 21°   до 2 000 000 точек/секунда Да 0,0002 секунд 16 кадров/секунда
Программное обеспечение: - Выходной формат - Интерфейс - Поддерживаемые ОС   - Формат экспорта измерений	Artec Studio OBJ, STL, WRML, ASCII, AOP, CSV, PTX 1хUSB2.0 Windows XP – 32 бит, Windows Vista, Windows 7 – 32 бит/64 бит CSV, DXF, XML
Общее: - Габариты - Вес - Энергопотребление - Калибровка	190x140x130 мм 0,85 кг 12 В, 48 Вт Не требуется

 

1. На первом 3D принтере – 3D Systems ProJet 460Plus (ZPrinter 450) будет использована технология CJP – продвинутая технология, которая применяется в 3D-принтерах компании 3D Systems серии ProJet x60 (ZPrinter) и модели ProJet 4500. Ранее технология называлась 3D Printing или 3DP. С ее помощью можно быстро создавать как монохромные, так и цветные прототипы из композитного порошка.

В основе работы CJP лежат два материала — основной и связующий. Основной материал (VisiJet PXL Core) или порошковый пластик служит для построения слоев изделия, связующий материал — склеивает и окрашивает вместе частицы в нужных местах, формируя изделие.

Принцип создания прототипа по технологии CJP выглядит следующим образом:

3D-принтер, работающий по технологии CJP, состоит из двух частей: камера построения изделия, в которую загружается модельный материал, и камера очистки, где происходит удаление лишнего материала.

Производство прототипа происходит послойно. Сначала материал модели равномерно тонким слоем распределяется по всей плоскости платформы камеры построения. Затем на этот слой наносится связующее вещество, склеивая и окрашивая частицы материала между собой согласно компьютерной 3D-модели.

После нанесения клея платформа смещается вниз на толщину слоя (0,1016 мм). После смещения печатающая головка снова начинает свое запрограммированное движение, выращивая модель слой за слоем.

 

 

Рисунок 14 – Принцип создания прототипа по технологии CJP

 

Преимущества и особенности технологии CJP:

Технология CJP, в сравнении с другими технологиями, обладает низкой себестоимостью производимого прототипа, обеспечивая при этом высокую скорость 3D-печати и качество моделей, что достигается за счет низкой стоимости материала и его безотходного использования. Один материал служит и для построения модели, и для ее поддержки во время процесса 3D-печати. Ко всему проему это единственная технология, которая способна передавать цвета полиграфической палитры CMYK.

Технология CJP позволяет создавать модели различных цветов и воспроизводить на их поверхности различные текстуры в высоком разрешении. Доступная цветовая палитра CMYK достигает 390 000 оттенков и наносится в процессе печати совместно с клеящим веществом.

Минимальный размер элемента, который можно создать по технологии CJP, варьируется в диапазоне от 0,4 до 0,1 мм. Такая точность печатных головок систем трехмерной печати позволяет создавать модели с поверхностями различных степеней сложности.

Технология CJP позволяет печатать модели с очень тонкими стенками. Минимально возможная толщина стенки, не прогибающаяся и не разрушающаяся под собственным весом, составляет 0,5 мм. При этом толщина каждого печатного слоя лежит в диапазоне от 0,089 до 0,102 мм.

Прототипы, выращенные по технологии CJP, имеют немного шершавую гигроскопичную (способность поглощать водяные пары из воздуха) поверхность средней прочности. Прототипы легко шлифуются, клеятся и красятся.

В технологии CJP используется универсальный гипсовый композит — материал VisiJet PXL Core ярко-белого цвета, используемый и для построения модели, и для ее поддержки. Не проклеенный материал, оставшийся после печати, автоматически фильтруется и используется повторно.

Для снижения гигроскопичности, увеличения прочности, яркости и достижения идеальной гладкости поверхности, возможна ее обработка различными простыми способами: опрыскивание раствором английской соли, обмакивание в закрепителе, обработка поверхности воском или смолой.

Таблица 7 – Типы закрепления материала и их характеристики

Тип закрепления	Легкое закрепление	Мгновенное закрепление	Функциональное закрепление
Активное вещество	Salt Water Cure раствор английской соли	Paraplast X-TRA Wax парафин	ColorBond Economy закрепитель, цианокрилат	ColorBond Premium закрепитель, цианокрилат	StrengthMax смола
Вид обработанной поверхности	хороший внешний вид: яркие цвета, немного шершавые поверхности	отличный внешний вид: гладкие поверхности, яркие цвета	наилучший внешний вид: ярчайшие цвета, немного шершавые поверхности	хороший внешний вид: гладкие поверхности, яркие цвета
Уровень прочности поверхности	низкая прочность	средняя прочность	высокая прочность	очень высокая прочность
Способ и условия применения	опрыскивание, подходит для использования в офисе		опрыскивание, обмакивание, подходит для использования в офисе
Скорость обработки	быстро	очень быстро	быстро
Общий результат	просто и дешево	быстро и надежно	стабильно и прочно

 

2. На втором принтере Stratasys uPrint SE Plus для 3D печати используется технология FDM (Fused Deposition Modeling). Принцип построения по технологии FDM заключается в послойном выращивании изделия из предварительно расплавленной пластиковой нити.

Принцип построения изделия по технологии FDM заключается в следующем:

3D-модель в формате STL передается в программное обеспечение 3D-принтера. Программа автоматически (или оператор вручную) располагает модель в виртуальном пространстве рабочей камеры. Затем программа автоматически генерирует элементы вспомогательных конструкций (из специального материала поддержки) и проводит расчет количества расходных материалов, а также времени выращивания прототипа. Перед запуском процесса печати модель автоматически разделяется на горизонтальные слои и производится расчет путей перемещения печатающей головки.

Затем запускается процесс непосредственной 3D-печати: нагревающая головка с филерами (экструдер) расплавляет тонкую пластиковую нить (леску) и послойно укладывает ее согласно данным математической 3D-модели.

После завершения процесса построения изделия вспомогательные конструкции удаляются (вручную или растворяются в специальном растворе). Готовое изделие может быть использовано в напечатанном виде или подвергнуто любому способу пост-обработки.

Рисунок 15 – Принцип создания прототипа по технологии FDM

Детали, получаемые по технологии FDM – одноцветные, прочные и упругие, обладают стабильным набором физических характеристик, которые зависят от типа материала. Они могут быть термостойкими, износоустойчивыми, обладать повышенной гибкостью или ударной вязкостью и т.д.

Стандартный цвет пластика ABSPlus - белый. Однако, этот вид пластика так же доступен еще в 8 цветах: слоновая кость, черный, красный, оливковый зеленый, нектарин, флуоресцентный желтый, синий, серый.

Точность построения моделей по технологии FDM во многом зависит от толщины печатного слоя. Эта величина может составлять от 0,127 до 1 мм. Поверхность готовых объектов обычно слегка ребристая (ступенчатая — в пределах 0,1-1 мм). Ребристость обусловлена тем, что расплавленная нить имеет округлую форму. Придать дополнительную гладкость поверхности можно с помощью пост-обработки.

Пост-обработка пластиковых изделий может быть представлена следующими видами:

1) Удаление материала поддержки

· BST - материал поддержки, изготавливаемый из красноватого пластика и отделяемый методом "отламывания". Процедура требует аккуратности и существенных усилий.

· SST - детали отделяются от поддержки в подогреваемой щелочной ванне (поставляется в комплекте с машиной).

2) Обработка прототипа после печати

· Выращенная поверхность будет немного ребристой в силу большой толщины нити.

· Обрабатывать изделия потребуется только в тех случаях, когда требуется идеально гладкая поверхность.

3) Дополнительные возможности

· Прототипы легко красятся обычной краской или автоэмалью.

· Прототипы можно сверлить, полировать или шлифовать.

· Части моделей легко склеиваются между собой любым клеем для пластика.

Модели всех будущих объектов можно создать посредством проектирования 3D модели на основе эскиза. Однако проектирование 3D модели мини-копий людей будет достаточна сложна, поэтому для облегчения этой задачи наше предприятие будет использовать 3D сканер Artec Eva.

3D-сканер Artec Eva является идеальным решением для быстрой оцифровки объектов среднего размера: человека, деталей автомобилей, памятников, элементов интерьера. 3D-сканер Artec Eva способен быстро и качественно захватывать цвет и текстуру объекта со скоростью 24 бит на пиксель и разрешением 1,3 мегапикселя. Artec Eva — самый легкий в своем классе 3D-сканер, он не требует для работы сложной калибровки и меток на объекте. Еще одно важное преимущество этого сканера — уникальное программное обеспечение Artec Studio, которое делает процесс сканирования максимально простым и быстрым.

Все же главным преимуществом является захват цвета и текстуры объекта, а также его высокая точность. Artec Eva собирает информацию о цвете и текстуре объекта, которая достигает глубины в 24 бита и разрешения в 1,3 мегапикселя. Вся информация о цвете и текстуре хранится в файлах формата JPEG в виде растрового изображения. Это делает использование данных сканирования простым и удобным, позволяя быстро импортировать их в любой удобный 3D-формат и продолжать работу в популярных программах по моделированию. 3D-сканирование объекта проводится с точностью до 0,1 мм. Такая точность отлично подходит для оцифровки объектов среднего размера: человека и частей его тела (торс, лицо, рука), архитектурных элементов или частей декора (статуй, барельефов), автомобилей или его частей (фары, крыша, капот, салон), памятников и любых других предметов.

3D-сканер Artec Eva оцифровывает предмет со скоростью 16 кадров в секунду. При этом Eva захватывает до 2 000 000 точек в секунду. Такие показатели позволяют использовать устройство при сканировании движущихся и изменяющихся объектов. К тому же, на поверхности объекта не нужно наносить каких-либо специальных меток или маркеров. Это упрощает трехмерное сканирование, делая процесс полностью бесконтактным и удобным. Источником света в 3D-сканере Artec Eva является диодная лампа-вспышка. Это делает его применение абсолютно безопасным для сканирования биологических (людей, животных, растений) и хрупких объектов. Оптическая технология 3D-сканирования, используемая в этом сканере, сравнима со вспышкой фотоаппарата.

Помимо основного оборудования нашему предприятию потребуется дополнительное оборудование и необходимые материалы, их перечень и стоимость представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Перечень оборудования и материалов, необходимых для производства

Название	Количество, шт.	Стоимость, руб.
Стартовый комплект расходных материалов		531 793
Программное обеспечение		15 000*2=30 000
Пластик ABS, картридж		1 200*9=10 800
Компьютер для печати на 3D принтере (Lenovo G50-80)		27 990*2= 55 980
Компьютер для работы с клиентами (DELL INSPIRON 3542)		17 190
МФУ Brother MFC-L2720DWR (принтер, сканер, факс, копир)		17 300
Телефон Panasonic KX-TGC310		1 444
Рабочий стол		4 000*4=16 000
Канцелярские принадлежности	-	2 000
Итого:		682 507

Таблица 9 – Стоимость аренды помещения и сопутствующих услуг

Название	Стоимость, руб./мес.
Аренда производственного помещения (58 м^2)	31 000
Коммунальные услуги	14 000
Интернет, телефон
Итого:	45 600

Предприятие для осуществления производства будет арендовать помещение площадью 58 м² в районе Арбековской заставы по адресу – улица 65-летия Победы, дом 7. Помещение находится на первом этаже жилого дома, все необходимые коммуникации (электричество, водопровод) подключены.

Чтобы рассчитать потребность в производственном персонале, нужно рассчитать количество предметов, которые могут быть напечатаны за день. В распоряжении предприятия имеется 2 принтера и 1 сканер. Скорость первого принтера, печатающего с применением композитного порошка, составляет в среднем 2,3 см в час, следовательно, за 12-ти часовой рабочий день можно напечатать 4-6 фигур. К тому же при работе на первом принтере технология печати не требует контроля процесса во время печати, вмешательство пользователей ограничивается лишь несколькими операциями по подготовке принтера и извлечению прототипов, что обычно не превышает одного часа.

На втором принтере, печатающим жидким пластиком, будут производиться в основном мелкие детали, поэтому, учитывая скорость принтера (15 см³/час) и средний объем детали (10-15 см³), можно за 12-ти часовой рабочий день произвести около 10-15 деталей. В отличие о первого принтера, здесь потребуется больше времени, чтобы пользователь смог задать необходимые параметры печати перед самим процессом печати.

Поэтому целесообразней будет нанять 2 программиста-специалиста по 3D моделированию и 4 оператора 3D принтера для посменной работы.

В таблице 10 представлен расчет заработной платы производственному персоналу.

Таблица 10 – Расчет заработной платы производственного персонала

Должность	Количество сотрудников	Заработная плата, руб.
Программист-специалист по 3D моделированию		27 000*4=108 000
Дизайнер		25 000
Оператор 3D принтера		27 000*2=54 000
Итого:		187 000

Специалисты по 3D моделированию должны обладать навыками преобразования дизайна продукта в цифровые чертежи, необходимые для 3D-принтеров. Такие специалисты необходимы не только при конструировании моделей для массовой 3D-печати, их услуги будут наиболее востребованы для товаров, изготавливаемых на заказ. При производстве товаров на заказ и индивидуальных макетов, специалисты должны быть способны четко формулировать концепцию объекта и создать его точное цифровое представление.

Наше предприятие будет в основном специализироваться на производстве уникальной продукции на заказ, то есть по эскизу клиента, однако не все клиенты могут четко сформулировать и изобразить на бумаге, что они хотят получить в итоге. Поэтому в четком формулировании идеи клиента и помощи в графическом представлении будущего объекта будет состоять главная задача нашего дизайнера.

В обязанности технического специалиста главным образом будут входить задачи по налаживанию оборудования и отслеживанию правильности и непрерывности процесса работы 3D принтера.