К.С. Ерохин, С.А. Наумов, В.П. Анаников 

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского

 val@ioc.ac.ru, valentin.ananikov@gmail.com

Метод послойного наплавления 3D-печати (Fused Filament Fabrication, FFF) играет ключевую роль в современных производственных процессах благодаря своей доступности, универсальности и способности создавать структуры сложного строения. Однако дефекты, возникающие в процессе печати, значительно снижают качество и функциональность изделий, что ограничивает применение этой технологии в критически важных областях. Предотвращение и минимизация дефектов являются необходимыми условиями для повышения надежности и долговечности продукции. В этом контексте разработанная нами классификация дефектов, основанная на их размере, топологии, природе и локализации, предоставляет важный инструмент для систематического анализа и предотвращения образования дефектов, способствуя повышению качества и прогнозированию характеристик напечатанных изделий.

Введение

Развитие аддитивных технологий, в частности экструзионной 3D-печати методом FFF (Fused Filament Fabrication), демонстрирует стремительный рост в последние годы. Этот прогресс обусловлен несколькими ключевыми факторами: 1) во-первых, удешевление и повсеместная распространенность оборудования для FFF- и SLA-печати (stereolytography) сделали эту технологию доступной не только для профессионалов, но и для широкого применения; 2) во-вторых, значительное улучшение качества материалов, включая разработку новых полимеров и композитов, расширило возможности применения FFF в различных отраслях, от прототипирования до массового производства; 3) в-третьих, развитие программного обеспечения для 3D-моделирования и подготовки к печати, а также совершенствование алгоритмов управления процессом позволили достичь большей точности и предсказуемости результатов. Немаловажна поддержка и развитие открытого сообщества: обмен опытом и идеями способствует быстрому внедрению инноваций и совершенствованию технологий. В совокупности эти факторы привели к тому, что FFF стала одной из наиболее востребованных и динамично развивающихся технологий в сфере 3D-печати, способствуя переходу от концептуальных моделей к полноценным функциональным изделиям.

Аддитивные технологии, включая FFF, оказывают значительное влияние на различные отрасли жизни человека. В здравоохранении эти технологии позволяют создавать индивидуализированные медицинские изделия, такие как протезы, ортопедические имплантаты и модели для планирования хирургических операций, что значительно улучшает качество лечения и восстановления пациентов. В производственной сфере 3D-печать открывает новые возможности для быстрого прототипирования и малосерийного производства, что сокращает время выхода продукта на рынок и снижает производственные затраты. В автомобильной и аэрокосмической отраслях аддитивные технологии применяются для создания легких, но прочных деталей, которые могут существенно снизить вес транспортных средств, что, в свою очередь, приводит к экономии топлива и уменьшению вредных выбросов. В образовании и науке 3D-печать способствует более эффективному обучению, позволяя студентам и исследователям создавать и тестировать физические модели, что упрощает понимание сложных концепций и ускоряет научные открытия. Также в сфере искусства и дизайна FFF открывает новые горизонты для создания уникальных произведений и экспериментальных форм, ранее недоступных с использованием традиционных методов.

В научных исследованиях подчеркивается важность аддитивных технологий в химии, биохимии, фармацевтике и смежных областях [1]. 3D-печать открывает новые возможности в этих сферах, особенно благодаря доступности технологий и материалов для 3D-печати методами FFF и SLA. Эти методы позволяют создавать уникальные химические реакторы, смесители и другую лабораторную оснастку, оптимизированную для конкретных экспериментов. Кроме того, важность аддитивных технологий проявляется в возможности быстрого прототипирования и персонализированного производства, что делает их незаменимым инструментом для научных исследований и образовательных целей.

Данные технологии способствуют развитию новых подходов в таких областях, как химия, биохимия, фармацевтика и образование [1]. В химии и биохимии эти технологии уже используются для создания уникальных химических реакторов, микрожидкостных систем и другой лабораторной техники, которая позволяет проводить эксперименты с высокой точностью и эффективностью. В фармацевтике 3D-печать открывает возможности для производства индивидуализированных лекарственных форм, таких как капсулы и таблетки, что улучшает эффективность лечения и позволяет адаптировать терапию под конкретного пациента. Также эти технологии найдут применение в производстве специальных инструментов и прототипов для научных исследований, что ускорит процессы разработки новых материалов и технологий. Практическое применение 3D-печати будет несомненно расширяться, охватывая все больше научных и промышленных областей.

Однако существенным сдерживающим фактором является низкое качество изделий. Минимизация и устранение дефектов в аддитивных технологиях, таких как FFF, являются критически важными для дальнейшего развития и внедрения их в производство новых продуктов [2]. Наличие дефектов в 3D-печатных изделиях может существенно снизить их качество и функциональность, делая их непригодными для использования, особенно в высокоточных и критических приложениях, таких как химические реакторы. Дефекты, возникающие из-за неправильных параметров печати или некачественных материалов, могут привести к ухудшенным механическим характеристикам (напр., прочности), нарушению герметичности и потере  реакционной массы. Важно понимать причины возникновения дефектов и разрабатывать эффективные стратегии их предотвращения, чтобы обеспечить высокое качество конечных продуктов и расширить область применения аддитивных технологий. Без этого в области производства и научных исследований будет существенно затруднен, а потенциал 3D-печати останется недооцененным.

Дефекты при FFF-печати и их классификация

В недавнем аналитическом обзоре были рассмотрены дефекты, которые могут возникать в процессе 3D-печати методом FFF, описаны основные характеристики дефектов и предложена их систематическая классификация [2]. Дефекты разделены на категории по размеру, пространственной топологии, природе возникновения и месту их локализации. Такой подход к классификации позволяет понять, какие параметры процесса печати или свой­ства материалов нужно регулировать, чтобы предотвратить возникновение этих дефектов.

На рис. 1А показан общий процесс, где нить материала подается в сопло и наносится на столик, а затем охлаждается и затвердевает, формируя слой за слоем. В идеале, как показано на рис. 1Б, этот процесс должен приводить к созданию идеально выровненных слоев с прочной адгезией между ними, обеспечивая высокое качество и точность готового изделия.

Однако на практике, как показано на рис. 1В, нагрев и последующее охлаждение термопласта могут вызвать возникновение внутренних напряжений, что приводит к деформациям и дефектам. Эти дефекты могут возникать на макро- и микроуровнях из-за изменений в объеме материала при его затвердевании, различий в скорости охлаждения, а также неоптимальных параметров печати. Такие факторы, как неправильные настройки температуры и скорости подачи, а также низкое качество материала, могут привести к формированию усадки, коробления, трещин, расслоения и других дефектов.

Рис. 1. Схема процесса и возможные дефекты в экструзионной 3D-печати (FFF). (A) — принцип изготовления изделий методом FFF, (Б) — напечатанное изделие высокого качества, (В) — напечатанное изделие низкого качества, в котором присутствуют различные дефекты. Рисунок из работы [2] воспроизводится по лицензии CC-BY.

Таблица 1 описывает классификацию дефектов, возникающих в процессе FFF-печати, по четырем ключевым характеристикам: размеру, пространственной топологии, категории и локализации. Размер дефектов варьируется от сантиметров до ангстремов, что позволяет оценить их влияние на прочность и функциональные характеристики изделий. Пространственная топология включает дефекты от точечных (0D) до объемных (3D) и динамически меняющихся во времени (4D)  (рис. 2).

Рис. 2. Типы дефектов в зависимости от топологии. Рисунок из работы [2], воспроизводится по лицензии CC-BY.

Категория дефектов определяется их природой — деформационные дефекты или отклонения от нормы количества материала. Локализация дефектов указывает, где они возникают:  на поверхности изделия, внутри материала или одновременно и там, и там (комбинированные дефекты). Эта классификация помогает систематизировать подходы к выявлению, анализу и устранению дефектов, улучшая общее качество продукции, изготовленной методом FFF.

Размер дефекта играет ключевую роль в определении степени его влияния на свой­ства готового изделия. Дефекты различаются по размеру от крупных, видимых невооруженным глазом (сантиметрового и миллиметрового масштаба) до микроскопических и нанометровых, которые могут быть обнаружены только при использовании специальных методов анализа. Чем больше дефект, тем сильнее он влияет на механическую прочность, геометрию и внешний вид изделия. Например, крупные дефекты, такие как усадка или коробление, могут полностью изменить форму изделия и сделать его непригодным для использования, тогда как микроскопические дефекты, такие как поры, могут привести к снижению прочности и долговечности изделия. Кроме того, разные типы дефектов могут взаимодействовать друг с другом, создавая более сложные комбинированные дефекты.

Рис. 3. Схематичное изображение дефектов в соответствии с их размерами. 

Рисунок из работы [2], воспроизводится по лицензии CC-BY.

Рисунок 3 иллюстрирует схему различных типов дефектов, классифицированных по их размеру. На рисунке показаны пять основных категорий дефектов:

1. Сантиметровые дефекты. Это наиболее крупные дефекты, размер которых может достигать одного сантиметра или более. Примеры включают усадку, коробление и смещение слоев. Такие дефекты легко обнаруживаются визуально и оказывают сильное негативное влияние на форму и прочность изделия.

2. Миллиметровые дефекты. Их размер варьируется от одного до десяти миллиметров. К этой группе относятся такие дефекты, как полости, нити, переэкструзия и недоэкструзия.

3. Микрометровые дефекты. Размеры этих дефектов находятся в диапазоне от одного до тысячи микрометров. Примеры включают трещины, пятна и пустоты.

4. Нанометровые дефекты. Это очень мелкие дефекты, размеры которых меньше одного микрометра. К этой категории относятся пустоты на наноуровне.

5. Дефекты ангстремного диапазона. Самые маленькие дефекты, размер которых измеряется ангстремами. К этой категории относится молекулярный дефект, который приводит к разрушению полимерной цепи на молекулярном уровне.

Более крупные дефекты оказывают значительное влияние на свой­ства изделия, тогда как мелкие дефекты могут быть менее заметными, но также могут приводить к ухудшению характеристик изделия при накоплении или взаимодействии с другими дефектами.

В статье [2] описаны различные типы дефектов, которые могут возникать при печати методом FFF. Графические материалы по дефектам 3D-печати дают подробную иллюстрацию для каждого типа дефектов [3]. Рассмотрим краткие описания каждого типа 

дефекта:

1. Усадка. Уменьшение объема материала во время его охлаждения и затвердевания, что приводит к деформации формы изделия и отклонению от заданных размеров.

2. Коробление. Изменение плоскостности напечатанной детали, вызванное термомеханическими напряжениями, возникающими при охлаждении. Это может привести к поднятию углов или краев изделия, делая его непригодным для использования.

3. Смещение слоев. Неправильное позиционирование слоев относительно друг друга, что приводит к изменению формы детали и ухудшению ее механических свой­ств. Этот дефект часто вызван неправильным позиционированием печатающей головки принтера по осям при экструзии.

4. Расслоение/слабое связывание. Возникает из-за недостаточной адгезии между слоями, что приводит к образованию трещин вдоль слоев. Этот дефект снижает прочность изделия и может сделать его непригодным для использования.

5. Скручивание. Деформация верхних углов детали из-за перегрева или недостаточного охлаждения, что приводит к неправильной форме и снижению качества поверхности.

6. Пустоты. Полости внутри или между слоями, вызванные недостаточной адгезией или недостаточным количеством материала. Эти дефекты могут ослабить изделие и снизить его герметичность.

7. Нити. Образование тонких нитей материала между разными частями детали, вызванное неконтролируемым вытеканием материала из сопла. Образование нитей приводит к снижению качества поверхности изделия и требует дополнительной постобработки.

8. Переэкструзия. Подача избыточного количества материала, что приводит к отклонению формы изделия от цифровой модели и ухудшению его механических свой­ств.

9. Недоэкструзия. Недостаточная подача материала, что приводит к образованию полостей, пустот и снижению прочности изделия.

10. Ребристость. Неровная поверхность изделия, вызванная недостаточной подачей материала или проблемами с позиционированием по оси Z. Это ухудшает внешний вид и механические свой­ства изделия.

11. Трещины. Возникновение трещин в материале, особенно при использовании композитов. Эти дефекты снижают прочность и долговечность изделия.

12. Пузыри. Появление вздутий на поверхности изделия, вызванное неправильными настройками втягивания филамента или нестабильностью его диаметра.

13. Поры. Области внутри изделия, которые остаются незаполненными материалом. Эти дефекты могут снижать прочность и герметичность изделия, а также служить источником трещин.

14. Молекулярный дефект. Термическое разложение полимера из-за перегрева, приводящее к разрушению полимерной цепи и образованию новых продуктов с измененными свой­ствами. Этот дефект может существенно изменить характеристики материала изделия.

Эти дефекты являются основными, с которыми сталкиваются при 3D-печати методом FFF, и их минимизация и устранение является важной задачей для повышения качества и надежности напечатанных изделий (таблица 2).

Алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ) играют все более важную роль в анализе и предотвращении дефектов в процессе 3D-печати. Использование ИИ позволяет значительно повысить качество продукции за счет автоматического обнаружения дефектов на ранних стадиях печати и оптимизации параметров процесса в реальном времени.

Одним из наиболее распространенных методов применения ИИ является машинное обучение, которое используется для анализа больших объемов данных, получаемых в процессе печати. Алгоритмы машинного обучения могут обучаться на основе опубликованных данных о 3D-печати, выявляя закономерности и предсказывая вероятные дефекты. Исходными данными являются текущие параметры печати, такие как скорость экструзии, температура сопла и стола, высота слоя и другие. Это позволяет заранее корректировать параметры, чтобы минимизировать риск возникновения дефектов, таких как коробление, расслоение, переэкструзия и другие.

Еще одним важным применением ИИ является использование компьютерного зрения для онлайн-­детектирования дефектов. В сочетании с камерами высокого разрешения или цифровыми микроскопами ИИ может анализировать изображения слоев в процессе их нанесения и автоматически выявлять дефекты, такие как смещение слоев, наличие пустот или нитей. Это позволяет в режиме реального времени  реагировать на выявленные проблемы и вносить коррективы в процессе печати, что значительно снижает вероятность производства бракованных изделий.

Кроме того, ИИ может быть использован для оптимизации конструкции изделия и выбора оптимальных параметров печати. Например, с помощью генеративных моделей можно создать дизайн изделия, который будет менее подвержен образованию дефектов, или подобрать такие параметры печати, которые обеспечат наилучшую адгезию слоев и минимальные внутренние напряжения.

В перспективе применение ИИ в 3D-печати будет становиться все более распространенным, позволяя достигать еще большей точности и надежности в производстве сложных изделий. Разработка и внедрение продвинутых моделей ИИ помогут не только улучшить качество печати, но и снизить затраты на производство, сокращая количество брака и времени на постобработку.

Выводы

Использование единой классификации дефектов, возникающих при 3D-печати методом FFF, имеет важное значение. Единая классификация позволяет стандартизировать подходы к выявлению и анализу дефектов, облегчая их диагностику и устранение. Это особенно важно в контексте производства сложных и ответственных изделий, где даже незначительные дефекты могут привести к серьезным сбоям или ухудшению функциональности. Систематизированный подход к классификации дефектов также способствует лучшему пониманию причин их возникновения и разработке эффективных стратегий по их предотвращению, что, в свою очередь, приводит к улучшению технологических процессов и повышению качества конечной продукции.

Предложенная классификация дефектов является удобной на практике, поскольку она охватывает все ключевые аспекты дефектов, включая их размер, пространственную топологию, природу возникновения и локализацию [3]. Это позволяет всесторонне оценить влияние дефектов на свой­ства изделий и подобрать оптимальные методы их устранения. Классификация структурирована таким образом, что она может быть легко применена как на этапе проектирования, так и на этапе производства, что делает ее полезной для широкого круга специалистов, включая инженеров, исследователей и операторов 3D-принтеров. Благодаря своей универсальности и детализации данная классификация становится надежным инструментом для повышения качества и прогнозирования характеристик 3D-печатных изделий.

В заключение дефекты экструзионной 3D-печати остаются основным вызовом для достижения производства высококачественных изделий. Их возникновение неизбежно из-за самой природы процесса 3D-печати, включающего термомеханические напряжения и вариации в параметрах печати. Разработанная классификация дефектов, основанная на их размере, топологии, природе и локализации, предоставляет систематизированный подход к их выявлению и устранению. Понимание причин и эффективная профилактика дефектов необходимы для улучшения качества печатных изделий, расширения области применения технологии FFF и достижения более надежных и функциональных конечных продуктов.

Для тех, кто заинтересован в более глубоком понимании темы и детальном изучении классификации и способах предотвращения формирования дефектов экструзионной 3D-печати, рекомендуется обратиться к оригинальной статье [2], где представлена полная информация и расширенный анализ. ■

Литература

1. Гордеев Е. Г., Анаников В. П. Общедоступные технологии 3D-печати в химии, биохимии и фармацевтике: приложения, материалы, перспективы. Обзор // Успехи химии. 2020. 89, 1507.
2. Ерохин К. С., Наумов С. А., Анаников В. П. Анализ, классификация и предотвращение образования дефектов в экструзионной 3D-печати // Успехи химии. 2023. 92, 11, RCR5103.
3. Иллюстрированный атлас дефектов 3D-печати: https://zioc.ru/science/3dp-defects

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024