Improving the accuracy and surface quality of additive manufacturing products

Victor Evgenievich Ovsjannikov; Овсянников Виктор Евгеньевич; Roman Yurievich Nekrasov; Некрасов Роман Юрьевич; Julia Alexandrovna Tempel; Темпель Юлия Александровна; Alexander Ivanovich Starikov; Стариков Александр Иванович; Arseniy Sergeevich Gubenko; Губенко Арсений Сергеевич

doi:10.17816/0321-4443-683372

Повышение точности и качества поверхности изделий аддитивного производства

Авторы: Овсянников В.Е.¹, Некрасов Р.Ю.¹, Темпель Ю.А.¹, Стариков А.И.¹, Губенко А.С.¹
Учреждения:
1. Тюменский индустриальный университет
Раздел: Качество, надёжность
Статья получена: 08.06.2025
Статья одобрена: 04.09.2025
Статья опубликована: 04.09.2025
URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/683372
DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-683372
ID: 683372

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Обоснование. Настоящая научная статья посвящена вопросам повышения размерной точности изделий, получаемых посредством аддитивных технологий. В качестве метода получения рассматривается печать расплавленной полимерной нитью через экструдер (технология FFF- печати). Главной проблемой при получении изделий с использованием данного метода является отсутствие системного понимания в части назначения режимов процесса, которые обеспечивают требуемую точность и качество поверхности получаемых изделий. В данной работе предлагается подход, который дает возможность разработать технологические рекомендации по назначению режимов печати, которые обеспечивают устойчивое получение требуемых выходных параметров процесса.

Цель данного исследования состоит в разработке методологического подхода к назначению технологических режимов печати расплавленной полимерной нитью, которые обеспечивают устойчивое обеспечение требуемых параметров размерной точности и качества поверхностного слоя изделий.

Материалы и методы исследования. В качестве основного технологического оборудования были использованы принтеры, которые печатают изделия с использованием подачи материала через сопло экструдера. Изучение направлений повышения точности и качества поверхности изделий проводилось с использованием метода анализа иерархий, который позволяет выполнять оценку вариантов с учетом степени их значимости. Исследование вибраций элементов принтера выполнялось с использованием датчика-акселерометра. Измерение шероховатости поверхности изделий выполнялось на профилографе, а размеров – с использованием микрометра.

Результаты. В результате расчета коэффициентов сравнения при анализе направлений повышения точности размеров и качества печати расплавленной полимерной нитью было установлено, что наилучшим сочетанием критериев обладает вариант, который связан с анализом и снижением вибраций при работе принтера. В результате анализа вибраций, которые возникают при различных технологических режимах, были выявлены условия возникновения резонанса. Была разработана прикладная микропрограмма, которая позволяет настраивать привод принтера с возможностью устранения резонансов. В результате исследований точности и качества поверхности изделий, полученных на основе устранения резонансных явлений и без него было установлено, что первый вариант позволяет существенно улучшить выходные параметры процесса. В качестве перспективы для дальнейших исследований целесообразно провести теоретическое обобщение полученных результатов с тем, чтобы распространить предлагаемый подход на принтеры других конструкций, сделав его тем самым более универсальным.

Заключение. Проведенные исследования показывают, что использование методологического подхода, который заключается в выявлении и устранении резонансных явлений дает возможность повысить размерную точность и качество поверхности изделий, получаемых методами аддитивных технологий.

Материал подготовлен в рамках работ по гранту. Соглашение о получении гранта № 4808/НПК от 19.12.2024 г.

Ключевые слова

качество, повышение, резонанс, условия, аддитивные технологии, анализ

Полный текст

Введение

В качестве вектора развития современного промышленного производства можно выделить расширение области применения аддитивных технологий. Данная группа технологий обладает рядом объективных преимуществ, основными среди которых являются [1-3]:

– возможность получения изделий сложно формы и разных размеров фактически на одном и том же оборудовании без необходимости замены инструмента и приспособлений. Таким образом, возможна минимизация времени на подготовку операции;

– высокие значения коэффициентов использования материала из-за того, что в ряде случаев изделия не требуют существенной чистовой и финишной обработки. В среднем достигаемые значения коэффициента использования материала для аддитивных технологий выше на 15-40% чем для субстрактивных технологий [4-6];

– высокая гибкость технологии, которая характеризуется как технологическими, так и организационными аспектами;

– возможность одному человеку реализовать как разработку конструкторской документации (при минимальных объемах выпуска достаточно разработать 3Д-модель), так и реализовать технологическую подготовку производства, вплоть до разработки управляющей программы и ее отладку;

– использование аддитивных технологий позволяет получать изделия с особыми свойствами за счет комбинации различных материалов, особенно эффективно этого можно достичь с использованием селективного лазерного спекания.

Однако помимо указанных выше плюсов, аддитивные технологии имеют некоторые недостатки. Наиболее критичных два:

– в отличие от традиционного изготовления изделий в технической литературе отсутствуют рекомендации по назначению режимов печати, поэтому получение требуемых параметров изделия чаще всего выполняется опытным путем, что снижает эффективность технологии в целом;

– ряд технологий обеспечивает сравнительно низкую размерную точность и качество поверхности изделий. Особенно это характерно для наиболее широко используемой технологии получения изделий посредством печати, расплавленной полимерной нитью.

На сегодняшний день проводятся исследования в части повышения точности получения изделий, получаемых методами FFF-печати. Каждое из них имеет свои преимущества и недостатки [7-12], которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные направления повышения точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством печатью расплавленной полимерной нитью

Направление	Основные плюсы	Основные минусы	Количественная оценка эффекта
Выбор размера фильеры (уменьшение диаметра) (ВФ)	Повышение детализации печати (более высокое размерное разрешение по осям XY)	Снижение скорости печати; сопло с диаметрами <0,4 мм легче засоряется, требовательно к калибровке и чистоте материала	Увеличение разрешения по XY ~в 2 раза (минимальный размер элемента ~0,7 мм → ~0,4 мм)
Настройка подачи (калибровка экструдера) (КЭ)	Точный объем экструдируемого пластика исключает пере-/недоэкструзию, повышает геометрическую точность деталей (минимизирует систематические отклонения)	Требуется время на калибровку под каждый материал; не устраняет иных причин погрешностей (вибраций, усадки и другие)	Отклонения размеров снижаются с ~±0,3 мм до ~±0,1 мм
Улучшенное охлаждение (обдув детали) (УО)	Улучшает качество печатинависаний и мостов за счёт быстрого затвердевания слоя; уменьшает нитевидные дефекты (stringing) и наплывы на краях слоев	Для материалов типа ABS/PA чрезмерный обдув может вызывать расслоение (из-за быстрого остывания); требует более мощных вентиляторов (повышенный шум, вибрации)	Допустимый угол нависания без поддержек увеличен с ~45° до ~60°; снижается количество дефектов на поверхности нависающих участков

Окончание таблицы 1

Компенсация вибраций (InputShaping) (КВ)	Значительно снижает вибрации и эффект «ряби» (ringing) на стенках, что позволяет печатать с гораздо большими ускорениями без потери качества	Требует специальной прошивки/контроллера (Klipper, Marlin 2.x) и настройки под конкретный принтер (например, использования акселерометра для автонастройки)	Повышение скорости печати ~на 40% без ухудшения качества
Замена кинематики (CoreXY, Delta и т. п.) (ЗК)	Меньшая масса подвижных частей снижает инерционные вибрации; более жесткая, симметричная конструкция повышает точность позиционирования и повторяемость	Усложнение конструкции и алгоритмов управления; удорожание (больше двигателей, длинные ремни/тяги), сложность калибровки геометрии механической системы	Максимальные ускорения и скорости перемещений можно увеличить ~в 1,5–2 раза (меньше «рябь» при той же скорости печати)
Альтернативные материалы (композиты, новые полимеры) (АМ)	Улучшение свойств изделия: выше прочность, теплостойкость; меньшая усадка и деформация при остывании (например, армирование ABS углеволокном уменьшает коробление«warping»)	Требуется адаптация процесса под материал: повышенные температуры сопла/стола, специальное сопло (для абразивных наполнителей), сушка и хранение пластика в требуемых условиях	Модуль упругости ABS при добавлении углеволокна повышается ~на 35%; коэффициент термического расширения и эффект коробления существенно снижаются
Адаптивнаяподача материала (Pressure / Linear Advance) (АП)	Синхронизирует подачу с движением, устраняя запоздание и избыточный пластик на участках изменения траектории; меньше «наплывов» на углах, равномерная толщина стенок	Требуется калибровка параметров под каждую связку принтер-материал (особенно для Bowden); не ускоряет печать, а улучшает качество в зонах изменения скорости	~90% уменьшение дефектов на резких углах (близко к полному устранению избыточного материала на переходах)
Оптимизация высоты слоёв и ширины экструзии (ОК)	Подбор минимально достаточной высоты слоя улучшает качество поверхности (ниже Ra); оптимальная ширина линии и число периметров повышают размерную точность	Слишком маленькая высота слоя резко замедляет печать и может привести к перегреву материала без прироста качества; чрезмерная толщина линии или недостаточное число периметров ухудшают точность размеров	Шероховатость Ra снижается ~на 25% при уменьшении высоты слоя; отклонение размера стенки ≈0 мм при 3 периметрах (против ~0,1 мм при 1 периметре)

Таким образом, необходимо провести анализ указанных в таблице 1 напарвлений повышения точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством FFF-печати, выбрать наиболее рациональный и реализовать его на практике.

основная часть

Выбор направления для повышения точности размеров и качества поверхности изделий, получаемых печатью расплавленной полимерной нитью, выполнялся с использованием метода анализа иерархий [13, 14]. Рассматривалась иерархия, которая состоит из трех уровней.

В качестве альтернатив были включены методы, представленные в таблице 1. Критерии сравнения принимались следующие:

– влияние на качество печати (ВНК);

– сложность реализации (СР);

– цена внедрения (ЦВ);

– повышение производительности (ПП).

Расчет коэффициентов сравнения производился как с использованием экспертных методов сравнения [15, 16] (в тех случаях когда нет возможности получения объективных численных данных), так и с помощью численной оценки.

На рис. 1 приведена полная доминантная иерархия по выбору направления повышения качества поверхностного слоя и размерной точности изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий.

Рис. 1. Полная доминантная иерархия по выбору направления повышения качества поверхностного слоя и размерной точности изделий, получаемых с использованием аддитивных технологий.

Пример расчета коэффициентов сравнения для критерия повышение производительности приведен на рис. 2.

Рис. 2. Расчет коэффициентов сравнения для критерия «Поывшение производительности».

Результаты

В результате комплексной оценки направлений по повышению размерной точности и качества поверхности изделий, получаемых посредством аддитивных технологий были получены значения коэффициентов, которые приведены на рис. 3.

Рис. 3. Велитчина коэффициентов сравнения.

Из рис. 3 видно, что по рассматриваемой системе критериев, наилучшим сочетанием критериев обладает альтернатива «компенсация вибраций». Для подтверждения результатов комплексного анализа был разработан программно-аппаратный комплекс, состоящий из датчиков вибраций, программного обеспечения по анализу спектров и устройства сопряжения.

Весь комплекс устройств и программного обеспечения дает возможность выявлять и устранять резонансные явления, которые возникают в системе принтера при печати изделий расплавленной полимерной нитью. На рис. 4 приведен пример определения резонансных явлений при печати, расплавленной полимерной нитью.

Рис. 4. Пример определения резонансных явлений при печати, расплавленной полимерной нитью.

Полученные данные позволяют настроить оборудование таким образом, чтобы исключить влияние выявленных источников резонанса. Для проверки состоятельности предлагаемых решений были проведены две серии экспериментов. В первом случае нейтрализация негативного влияния вибраций не использовалась, а во втором была применена.

В качестве образцов были напечатаны цилиндры с диаметром 25 мм и высотой 50 мм. Измерение геометрических размеров выполнялось с использованием микрометра, а шероховатость измерялась на профилографе-профилометре марки Sufrtest 310 от производителя Mitutoyo. В таблице 1 приведены результаты сравнения вариантов.

Таблица 1 – Сравнение вариантов печати изделий расплавленной полимерной нитью

Среднее значение параметров детали	С устранением резонанса	Без устранения резонанса
Квалитет точности по диаметру (IT_D)	9	13
Квалитет точности по высоте (IT_H)	9	13
Среднеарифметическое отклонение профиля (Ra, мкм)	2.5	6.3

Из таблицы 1 видно, что результаты, получаемые с использованием компенсации вибраций существенно превосходят ту ситуацию, когда вибрации не компенсированы.

Для более корректной оценки можно использовать квалиметрический анализ на основе вычисления коэффициентов технического уровня дифференциальным методом [17]. Учитывая особенности данных, которые приведены в таблице 1, можно считать все показатели за негативные. Значение коэффициента сравнения равно:

ОБСУЖДЕНИЕ

На основании комплексной оценки с учетом сформулированной системы критериев сравнения было установлено, что компенсация вибраций дает возможность повысить точность размеров и качество поверхности деталей, которые изготавливаются посредством печати расплавленной полимерной нитью.

Для реализации данного подхода не требуется внесения существенных конструктивных изменений в принтер. Кроме того, важным преимуществом предлагаемого подхода является то, что компенсация вибраций может быть реализована в процессе печати, т.е. возможен активный контроль качества получаемых деталей.

заключение

Проведенные исследования подтверждают эффективность использования метода компенсации вибраций для решения задачи повышения точности размеров и качества поверхности деталей, получаемых печатью расплавленной полимерной нитью. Однако существенным фактором, который затрудняет внедрение данного подхода в промышленную практику является необходимость индивидуального исследования вибраций для каждой единицы оборудования. В этом смысле необходимо разработать теоретическую модель, которая позволит производить предварительную оценку для компенсации вибраций.