Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7711| Назва: | Дослідження впливу технологічних параметрів на якість виготовлення деталей під час фотополімерного 3D-друку |
| Автори: | Мацепа, Сергій Михайлович Пашковський, Олексій Валерійович |
| Ключові слова: | 3D-друк |
| Дата публікації: | 2025 |
| Короткий огляд (реферат): | Анотація У магістерській кваліфікаційній роботі проведено комплексне дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на геометричну точність, механічну міцність та тривалість виготовлення деталей. Об’єктом дослідження є процес фотополімерного 3D-друку, а предметом — вплив орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок на експлуатаційні характеристики виробів. У роботі проаналізовано сучасний стан розвитку фотополімерних адитивних технологій та визначено основні фактори, що впливають на якість виготовлення деталей. Розроблено методику експериментального дослідження на основі повного факторного плану з використанням статистичних методів обробки результатів. Проведено експериментальні дослідження, за результатами яких виконано дисперсійний і регресійний аналіз отриманих даних. Встановлено, що товщина шару має визначальний вплив на геометричну точність і тривалість виготовлення, тоді як орієнтація деталі суттєво впливає на механічну міцність фотополімерних виробів. Показано, що конфігурація підтримок істотно впливає на якість поверхні та обсяг постобробки. На основі багатокритеріального аналізу визначено оптимальні області параметрів друку та розроблено практичні рекомендації щодо їх вибору. Отримані результати можуть бути використані в інженерній та прототипній практиці, а також у навчальному процесі при вивченні адитивних технологій. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7711 |
| Розташовується у зібраннях: | 131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Пашковський.pdf Restricted Access | 2.02 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України Черкаський державний технологічний університет Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв До захисту допущено: Завідувач кафедри ТОМВ Георгій КАНАШЕВИЧ « » 2025 р. Пояснювальна записка до кваліфікаційної роботи магістра на тему: «Дослідження впливу технологічних параметрів на якість виготовлення деталей під час фотополімерного 3D-друку» Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-42 Спеціальності 131 – «Прикладна механіка» Освітня програма – «Обробка металів за спецтехнологіями» Пашковський Олексій Валерійович Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович Рецензент: Головний інженер ДП «Семпал» м.Черкаси Якушев Іван Володимирович Черкаси 2025 р. Черкаський державний технологічний університет Факультет електронних технологій, автотранспорту тамашинобудування Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв Освітній рівень магістерський. Спеціальність 131 «Прикладна механіка». Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями» ЗАТВЕРДЖУЮ: Завідувач кафедри ТОМВ Георгій КАНАШЕВИЧ « » 2025 р. ЗАВДАННЯ на кваліфікаційну роботу магістра _ Пашковському Олексію Валерійовичу _ (прізвище, ім’я, по батькові) 1. Тема роботи «Дослідження впливу технологічних параметрів на якість виготовлення деталей під час фотополімерного 3D-друку». Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, старший викладач. (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від «15» вересня 2025р. №261/03-03 2. Термін подання здобувачем роботи 11. 12. 2025 р. 3. Вихідні дані до роботи: 3D-моделі деталей, для виготовлення методом фотополімерного 3D-друку, Експериментальні набори даних з порівняльною характеристикою залежності якості від технологічних параметрів друку. Програмні засоби обробки 3D-даних. Охорона праці та надзвичайні ситуації: небезпечні фактори при роботі з 3D-принтером, вимоги електробезпеки, мікроклімату приміщення, а також порядок дій у разі виникнення надзвичайних ситуацій (пожежа, відмова обладнання). 4. Зміст пояснювальної записки: Аналіз сучасного стану фотополімерних адитивних технологій та формулювання задач дослідження; принципи роботи технологій фотополімерного 3D-друку та властивості фотополімерних матеріалів; фактори, що впливають на геометричну точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей; теоретичні передумови впливу орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок; формування системи факторів і показників якості та методика планування багатофакторного експерименту; методи виготовлення, постобробки та вимірювання характеристик фотополімерних зразків; статистичний аналіз експериментальних даних із застосуванням дисперсійного та регресійного аналізів; багатокритеріальна оптимізація параметрів фотополімерного 3D-друку та розробка практичних рекомендацій щодо їх вибору; обмеження дослідження та напрями подальших робіт; охорона праці, техніка безпеки та екологічна безпека при фотополімерному 3D-друці. 5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі, об’єкт та предмет дослідження. Актуальність дослідження. Аналіз сучасного стану фотополімерного 3D-друку. Фактори, що впливають на якість фотополімерних деталей. Теоретичні передумови впливу параметрів друку. Методика дослідження та план експерименту. Процес виготовлення деталей: фотополімерний 3D-друк. Процес постобробки: промивання та очищення зразків. Процес постобробки: видалення підтримок та UV- дозасвічування. Вихідні показники якості деталей. Оптимізація параметрів та практичні рекомендації. Обмеження дослідження та напрями подальших робіт. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуація 6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата Розділ консультанта завдання видав завдання прийняв Розділ 1-4 Мацепа Сергій Михайлович Розділ 5 Цікановський Володимир Леонідович 7. Дата видачі завдання 16.09.2025 р. Календарний план № Назва етапів дипломного Строк Примітка з/п роботи виконання етапів роботи 1 Збір інформації для написання КРМ 16.09. - 30.09.2025 2 Написання І розділу КРМ 01.10.-15.10.2025 3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2025 4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2025 5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2025 6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2025 7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2025 8 Захист роботи 19.12.-31.01.2026р. Здобувач _Олексій ПАШКОВСЬКИЙ Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ Керівник Сергій МАЦЕПА Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ Анотація У магістерській кваліфікаційній роботі проведено комплексне дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на геометричну точність, механічну міцність та тривалість виготовлення деталей. Об’єктом дослідження є процес фотополімерного 3D-друку, а предметом — вплив орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок на експлуатаційні характеристики виробів. У роботі проаналізовано сучасний стан розвитку фотополімерних адитивних технологій та визначено основні фактори, що впливають на якість виготовлення деталей. Розроблено методику експериментального дослідження на основі повного факторного плану з використанням статистичних методів обробки результатів. Проведено експериментальні дослідження, за результатами яких виконано дисперсійний і регресійний аналіз отриманих даних. Встановлено, що товщина шару має визначальний вплив на геометричну точність і тривалість виготовлення, тоді як орієнтація деталі суттєво впливає на механічну міцність фотополімерних виробів. Показано, що конфігурація підтримок істотно впливає на якість поверхні та обсяг постобробки. На основі багатокритеріального аналізу визначено оптимальні області параметрів друку та розроблено практичні рекомендації щодо їх вибору. Отримані результати можуть бути використані в інженерній та прототипній практиці, а також у навчальному процесі при вивченні адитивних технологій. 4 Abstract This master’s thesis presents a comprehensive study of the influence of photopolymer 3D printing parameters on the geometric accuracy, mechanical strength, and manufacturing time of printed parts. The object of the study is the photopolymer 3D printing process, while the subject is the influence of part orientation, layer thickness, and support configuration on the performance characteristics of printed components. The current state of photopolymer additive manufacturing technologies is analyzed, and the key parameters affecting print quality are identified. An experimental research methodology based on a full factorial design and statistical data analysis is developed. Experimental studies are conducted, followed by variance and regression analyses of the obtained results. The results show that layer thickness has a dominant effect on geometric accuracy and production time, while part orientation significantly influences the mechanical strength of photopolymer parts due to material anisotropy. It is also established that support configuration strongly affects surface quality and post- processing time. Based on a multi-criteria optimization approach, optimal ranges of printing parameters are determined, and practical recommendations for their selection are proposed. The obtained results can be applied in engineering and prototyping practice, as well as in the educational process related to additive manufacturing technologies. 5 Зміст ВСТУП ..................................................................................................... 9 РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ТЕХНОЛОГІЇ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ ............................................................... 14 1.1. Загальна характеристика адитивних технологій .......................... 15 1.2. Принцип роботи фотополімерного 3D-друку ............................... 17 1.3. Матеріали для фотополімерного 3D-друку ................................... 19 1.4. Параметри фотополімерного друку, що впливають на якість деталей 21 1.5. Вплив орієнтації деталі на точність і міцність.............................. 23 1.6. Вплив товщини шару на геометричну точність і тривалість виготовлення ................................................................................................... 25 1.7. Роль підтримок у фотополімерному друці ................................ 26 1.8. Аналіз існуючих досліджень і постановка задачі ..................... 27 Висновки до розділу 1 ........................................................................... 30 РОЗДІЛ 2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D- ДРУКУ ............................................................................................................. 32 2.1. Загальна концепція дослідження ................................................... 33 2.2. Формування системи факторів та показників ............................... 35 2.2.1. Керовані фактори ......................................................................... 35 2.2.2. Вихідні показники якості ............................................................ 37 2.3. Теоретичні передумови впливу орієнтації друку ......................... 39 2.4. Теоретичні аспекти впливу товщини шару ................................... 41 2.5. Теоретичні основи формування та функціонування підтримок .. 43 6 2.6. Методика планування експерименту ............................................ 44 2.7. Методика проведення експериментів ........................................... 46 2.8. Методи вимірювання та обробки результатів .............................. 48 Висновки до розділу 2 ........................................................................... 49 РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ ..................................... 50 3.1. Мета та загальна характеристика експерименту .......................... 51 3.2. Обладнання та матеріали ............................................................... 52 3.3. Підготовка тестових зразків ........................................................... 55 3.4. Параметри друку та план експерименту ....................................... 58 3.5. Процес виготовлення та постобробки зразків .............................. 59 3.6. Результати вимірювання геометричної точності .......................... 61 3.7. Результати механічних випробувань ............................................. 65 3.7.1. Визначення механічних характеристик матеріалу при випробуванні на розтяг ................................................................................... 65 3.8. Аналіз тривалості виготовлення .................................................... 69 3.9. Узагальнення експериментальних результатів ............................. 71 Висновки до розділу 3 ........................................................................... 73 РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ ..................................... 74 4.1. Загальна характеристика отриманих експериментальних даних 75 4.2. Статистичний аналіз впливу параметрів друку ............................ 76 4.2.1. Дисперсійний аналіз (ANOVA) .................................................. 76 4.2.2. Кореляційний аналіз .................................................................... 79 4.3. Оптимізація параметрів фотополімерного 3D-друку ................... 82 7 4.5. Розробка практичних рекомендацій .............................................. 84 4.6. Обмеження дослідження та напрями подальших робіт ............... 86 Висновки до розділу 4 ........................................................................... 88 РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА ПРИ ФОТОПОЛІМЕРНОМУ 3D-ДРУЦІ ............................................................... 89 5.1. Загальна характеристика умов праці ............................................. 90 5.2. Вимоги безпеки при роботі з фотополімерними матеріалами ..... 92 5.3. Захист від ультрафіолетового випромінювання ........................... 94 5.4. Вимоги до робочого місця та вентиляції....................................... 96 5.5. Електробезпека та пожежна безпека ............................................. 98 5.6. Екологічна безпека та утилізація відходів .................................. 100 Висновки до розділу 5 ......................................................................... 102 ВИСНОВКИ ........................................................................................ 103 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................ 106 8 ВСТУП Адитивні технології виготовлення виробів за останні десятиліття набули широкого поширення у машинобудуванні, приладобудуванні, медицині, ювелірній справі та інших галузях промисловості. Особливе місце серед них займає фотополімерний 3D-друк, який забезпечує високу точність відтворення геометрії, малу товщину шару та можливість виготовлення деталей складної форми. Разом з тим, незважаючи на значний розвиток обладнання та матеріалів, якість виробів, отриманих методом фотополімерного 3D-друку, значною мірою залежить від параметрів технологічного процесу. Зокрема, орієнтація моделі у робочому просторі, товщина шару та конфігурація підтримок суттєво впливають на геометричну точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей. Неправильний вибір цих параметрів може призводити до появи дефектів, зниження міцності виробів, перевитрат матеріалу та збільшення часу виробництва. Актуальність даної роботи обумовлена необхідністю науково обґрунтованого вибору параметрів фотополімерного 3D-друку з урахуванням вимог до точності, міцності та продуктивності. Більшість існуючих рекомендацій носять емпіричний характер і не завжди враховують взаємний вплив параметрів друку, що зумовлює потребу у комплексному експериментальному дослідженні. [4, 5, 18, 42] Мета та завдання дослідження Метою магістерської кваліфікаційної роботи є дослідження впливу орієнтації, товщини шару та конфігурації підтримок на точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей, отриманих методом фотополімерного 3D-друку, а також розробка практичних рекомендацій щодо оптимізації параметрів друку. 9 Для досягнення поставленої мети в роботі передбачається вирішення таких завдань: проаналізувати сучасний стан і тенденції розвитку фотополімерних адитивних технологій; дослідити вплив орієнтації деталі у просторі 3D-принтера на якість і міцність виробів; визначити залежність точності та часу виготовлення від товщини шару друку; оцінити вплив конфігурації підтримок на якість поверхні та механічні властивості деталей; провести експериментальні дослідження та статистичну обробку отриманих результатів; розробити рекомендації щодо вибору параметрів фотополімерного 3D- друку. 10 Об’єкт і предмет дослідження Об’єктом дослідження є процес фотополімерного 3D-друку деталей. Предметом дослідження є вплив орієнтації моделі, товщини шару та конфігурації підтримок на точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей, отриманих методом фотополімерного 3D-друку. Методи дослідження У роботі застосовуються такі методи дослідження: аналітичний аналіз наукових і технічних джерел; комп’ютерне моделювання та підготовка 3D-моделей; експериментальний фотополімерний 3D-друк; вимірювання геометричних параметрів та механічних характеристик; статистичні методи обробки експериментальних даних (ANOVA, регресійний аналіз). 11 Наукова новизна Наукова новизна роботи полягає у: встановленні кількісних залежностей між параметрами фотополімерного 3D-друку та показниками точності, міцності і тривалості виготовлення деталей; комплексному дослідженні сумісного впливу орієнтації, товщини шару та конфігурації підтримок; обґрунтуванні оптимальних параметрів друку з урахуванням декількох критеріїв якості. 12 Практична значущість Практична значущість роботи полягає у можливості використання отриманих результатів та рекомендацій: при підготовці виробів до фотополімерного 3D-друку в інженерній та прототипній практиці; для скорочення часу виготовлення деталей без втрати якості; у навчальному процесі при вивченні адитивних технологій. 13 РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ТЕХНОЛОГІЇ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ 14 1.1. Загальна характеристика адитивних технологій Адитивні технології виготовлення деталей ґрунтуються на принципі пошарового нарощування матеріалу відповідно до цифрової тривимірної моделі, створеної за допомогою систем автоматизованого проєктування (CAD). На відміну від традиційних субтрактивних методів обробки, таких як механічне різання, фрезерування або лиття у форми, адитивне виробництво передбачає формування виробу шляхом додавання матеріалу лише в необхідних зонах. Такий підхід дозволяє суттєво знизити втрати матеріалу, скоротити кількість технологічних операцій та забезпечити високу гнучкість процесу виготовлення. Важливою перевагою адитивних технологій є можливість створення виробів зі складною геометрією, внутрішніми порожнинами, каналами та решітчастими структурами, виготовлення яких традиційними методами є або технічно складним, або економічно недоцільним. Це зумовило широке впровадження адитивного виробництва у таких галузях, як авіа- та ракетобудування, машинобудування, медицина, ювелірна промисловість, а також у сфері прототипування та дрібносерійного виробництва. Згідно з класифікацією, наведеною у міжнародному стандарті ISO/ASTM 52900, адитивні технології поділяються на декілька основних груп залежно від способу подачі та затвердіння матеріалу. До них належать екструзія матеріалу (Material Extrusion), фотополімеризація у ванні (Vat Photopolymerization), селективне лазерне спікання або плавлення порошків (Powder Bed Fusion), струминне нанесення матеріалу (Material Jetting), а також інші методи. Кожна з цих технологій має власні технічні особливості, переваги та обмеження, що визначають сферу її практичного застосування. Серед перелічених технологій особливе місце займають методи фотополімеризації у ванні, які базуються на локальному або площинному затвердінні рідкого фотополімерного матеріалу під дією ультрафіолетового або видимого світлового випромінювання. Дані технології вирізняються 15 високою роздільною здатністю, малою товщиною шару та високою якістю поверхні надрукованих виробів. Це робить їх особливо привабливими для виготовлення деталей, до яких висуваються підвищені вимоги щодо точності геометрії та чистоти поверхні. Разом із тим, слід зазначити, що вибір конкретної адитивної технології визначається не лише вимогами до точності та якості, але й такими факторами, як вартість обладнання, доступність матеріалів, продуктивність процесу та необхідність подальшої обробки виробів. У зв’язку з цим фотополімерний 3D- друк часто розглядається як компроміс між високою точністю виготовлення та відносно помірною продуктивністю, що зумовлює доцільність його використання у прототипуванні, малосерійному виробництві та спеціалізованих галузях.[1, 4, 5, 11, 18, 42] 16 1.2. Принцип роботи фотополімерного 3D-друку Фотополімерний 3D-друк базується на явищі фотополімеризації — хімічного процесу, під час якого рідкі фоточутливі смоли під дією ультрафіолетового або видимого світлового випромінювання певної довжини хвилі переходять у твердий стан. Даний процес ініціюється фотополімеризаційними ініціаторами, що містяться у складі смоли та під впливом світла утворюють активні радикали або катіони, які запускають реакцію утворення просторово зшитої полімерної структури. У результаті цього відбувається локальне затвердіння матеріалу відповідно до геометрії заданої цифрової моделі. Процес фотополімерного 3D-друку здійснюється пошарово. Кожен шар формується шляхом вибіркового експонування тонкого шару рідкої смоли, після чого платформа друку переміщується на задану висоту, що відповідає товщині шару. Повторення цього циклу призводить до поступового формування тривимірного виробу. Товщина шару, час експонування та інтенсивність світлового потоку є ключовими технологічними параметрами, які безпосередньо впливають на точність, механічні властивості та якість поверхні надрукованих деталей. Залежно від способу формування та експонування шару розрізняють декілька основних різновидів фотополімерного 3D-друку. Найпоширенішою з них є технологія SLA (Stereolithography), у якій затвердіння фотополімеру відбувається за допомогою сфокусованого лазерного променя. Лазер послідовно сканує поперечний переріз моделі, забезпечуючи високу точність формування геометрії, проте порівняно невисоку швидкість друку, особливо для виробів великої площі. Технологія DLP (Digital Light Processing) відрізняється тим, що експонування відбувається одночасно для всього шару за допомогою цифрового проєктора. Зображення шару формується за допомогою 17 мікродзеркальної матриці, що дозволяє значно скоротити час друку в порівнянні з лазерною стереолітографією. Разом із тим роздільна здатність у DLP-технологіях визначається розміром пікселя проєктора, що може обмежувати точність відтворення дрібних деталей. Подальшим розвитком фотополімерних технологій є LCD (Masked Stereolithography), у якій для формування зображення шару використовується рідкокристалічний екран, що виконує роль світлової маски. Світлодіодне джерело випромінювання засвічує весь шар одночасно, а LCD-матриця вибірково блокує світло у необхідних зонах. Основними перевагами цієї технології є відносно низька вартість обладнання та висока швидкість друку, тоді як до її обмежень належать зношування матриці та зниження світлопроникності з часом. Рис. 1.1 - схема роботи фотополімерного 3D друку Незважаючи на відмінності у способі експонування, усі фотополімерні технології мають спільні технологічні особливості, зокрема необхідність використання підтримок для нависаючих елементів, подальшу постобробку виробів та додаткове ультрафіолетове дозатвердіння. Сукупність цих факторів обумовлює складність процесу підготовки та виготовлення деталей і вимагає оптимального вибору параметрів друку залежно від конкретних вимог до виробу. [6, 7, 8, 14, 16, 20, 43] 18 1.3. Матеріали для фотополімерного 3D-друку Основними матеріалами, що застосовуються у фотополімерному 3D- друці, є світлочутливі фотополімерні смоли, які являють собою складні багатокомпонентні системи. До їх складу зазвичай входять мономери та олігомери, що формують полімерну матрицю, фотоініціатори, відповідальні за запуск реакції полімеризації, а також різноманітні функціональні добавки. Останні використовуються для регулювання в’язкості смоли, швидкості затвердіння, механічних, термічних та оптичних властивостей кінцевого виробу. Саме хімічний склад фотополімеру у поєднанні з режимами експонування визначає експлуатаційні характеристики надрукованих деталей. Процес формування властивостей фотополімерних матеріалів відбувається на молекулярному рівні внаслідок утворення просторово зшитої полімерної сітки. Щільність зшивання залежить від типу мономерів, концентрації фотоініціаторів та параметрів освітлення, зокрема часу експонування та інтенсивності світлового потоку. Недостатня або надмірна полімеризація може призводити до зниження механічної міцності, появи внутрішніх напружень та деформацій, що особливо актуально для деталей складної форми. Сучасні фотополімерні матеріали умовно поділяються на декілька основних груп залежно від їх функціонального призначення та властивостей. До стандартних інженерних смол належать матеріали загального призначення, які забезпечують високу точність відтворення геометрії та добру якість поверхні. Вони широко застосовуються для виготовлення прототипів, корпусних деталей та декоративних елементів, проте зазвичай мають обмежені показники ударної в’язкості. Ударостійкі та еластичні фотополімери характеризуються підвищеною здатністю до деформації без руйнування та використовуються для виготовлення деталей, що працюють під динамічними навантаженнями або 19 потребують гнучкості. Такі матеріали часто містять спеціальні еластомерні компоненти, що знижують модуль пружності, але водночас можуть зменшувати точність та стабільність розмірів виробів. Окрему групу становлять термостійкі та армовані смоли, які розробляються для експлуатації при підвищених температурах або під дією значних механічних навантажень. До їх складу можуть входити керамічні або волокнисті наповнювачі, що підвищують жорсткість і теплостійкість матеріалу. Проте використання таких смол зазвичай ускладнює процес друку та вимагає суворого дотримання технологічних параметрів. Важливе місце серед фотополімерних матеріалів займають біосумісні смоли, які застосовуються у стоматології, медицині та біоінженерії. Дані матеріали проходять спеціальну сертифікацію та характеризуються відсутністю токсичних компонентів після повної полімеризації. Водночас їх вартість та обмежені механічні характеристики часто звужують сферу практичного використання. Незважаючи на значний прогрес у розвитку фотополімерних матеріалів, для більшості з них характерними залишаються такі недоліки, як відносна крихкість та анізотропія механічних властивостей. Анізотропія зумовлена пошаровою структурою виробів та неоднорідністю зчеплення між шарами, що призводить до різниці міцності залежно від напрямку прикладеного навантаження. Це обмежує застосування фотополімерних матеріалів у відповідальних конструкціях і підкреслює важливість оптимального вибору параметрів друку, зокрема орієнтації деталі та товщини шару. [10, 12, 15] 20 1.4. Параметри фотополімерного друку, що впливають на якість деталей Якість деталей, виготовлених методом фотополімерного 3D-друку, визначається сукупністю технологічних параметрів процесу, кожен з яких по- різному впливає на точність геометрії, механічні властивості та зовнішній вигляд виробів. Оптимальний вибір цих параметрів є складним інженерним завданням, оскільки зміна одного з них часто призводить до необхідності корекції інших. До основних параметрів процесу фотополімерного 3D-друку належать товщина шару, час експонування, інтенсивність світлового випромінювання, орієнтація деталі у робочому просторі принтера, конфігурація підтримок, а також параметри постобробки надрукованих виробів. Сукупна дія зазначених факторів формує кінцеві експлуатаційні характеристики деталей. Товщина шару є одним із найважливіших параметрів, що визначає компроміс між точністю виготовлення та продуктивністю процесу. Зменшення товщини шару дозволяє підвищити точність відтворення складних геометричних елементів і знизити вираженість ступінчастого ефекту на похилих поверхнях. Водночас це призводить до збільшення кількості шарів, а отже — часу друку та тривалості експонування. Збільшення товщини шару, навпаки, підвищує продуктивність, але може негативно впливати на точність та однорідність механічних властивостей. Час експонування кожного шару безпосередньо впливає на ступінь полімеризації фотополімерної смоли. Недостатній час експонування може призводити до неповного затвердіння матеріалу, зниження адгезії між шарами та появи дефектів. Надмірне експонування, у свою чергу, здатне спричиняти перевитрати матеріалу, втрату точності та утворення внутрішніх напружень у виробі. Тому підбір оптимального часу експонування є критично важливим для забезпечення стабільності процесу. 21 Інтенсивність світлового випромінювання визначає енергію, що передається фотополімеру під час експонування. Разом із часом засвічування вона формує сумарну дозу опромінення, яка впливає на глибину та рівномірність полімеризації шару. Нерівномірний розподіл інтенсивності може спричиняти локальні відхилення геометрії та неоднорідність механічних властивостей деталі. Орієнтація деталі у просторі 3D-принтера суттєво впливає на якість поверхні, механічну міцність та анізотропію властивостей виробу. Залежно від орієнтації змінюється напрямок накладання шарів відносно прикладених навантажень, що призводить до різної міцності у різних напрямах. Крім того, орієнтація визначає кількість нависаючих елементів і, відповідно, потребу у підтримках, що впливає на витрати матеріалу та якість поверхні після видалення допоміжних структур. Конфігурація підтримок включає їх кількість, розташування, геометрію та тип контакту з основною деталлю. Раціонально спроєктовані підтримки забезпечують стабільність процесу друку та мінімізують деформації, проте надмірна кількість підтримок ускладнює постобробку та може погіршувати якість поверхні у місцях контакту. Таким чином, конфігурація підтримок повинна підбиратися з урахуванням орієнтації деталі та вимог до якості поверхні. Параметри постобробки, зокрема промивання виробів у розчинниках та подальше ультрафіолетове дозатвердіння, завершують процес формування властивостей фотополімерних деталей. Недостатня постобробка може призводити до залишкової липкості поверхні та зниження механічних характеристик, тоді як надмірне дозатвердіння здатне підвищувати крихкість матеріалу. [8, 19, 41] 22 1.5. Вплив орієнтації деталі на точність і міцність Якість деталей, виготовлених методом фотополімерного 3D-друку, визначається сукупністю технологічних параметрів процесу, кожен з яких по- різному впливає на точність геометрії, механічні властивості та зовнішній вигляд виробів. Оптимальний вибір цих параметрів є складним інженерним завданням, оскільки зміна одного з них часто призводить до необхідності корекції інших. До основних параметрів процесу фотополімерного 3D-друку належать товщина шару, час експонування, інтенсивність світлового випромінювання, орієнтація деталі у робочому просторі принтера, конфігурація підтримок, а також параметри постобробки надрукованих виробів. Сукупна дія зазначених факторів формує кінцеві експлуатаційні характеристики деталей. Товщина шару є одним із найважливіших параметрів, що визначає компроміс між точністю виготовлення та продуктивністю процесу. Зменшення товщини шару дозволяє підвищити точність відтворення складних геометричних елементів і знизити вираженість ступінчастого ефекту на похилих поверхнях. Водночас це призводить до збільшення кількості шарів, а отже — часу друку та тривалості експонування. Збільшення товщини шару, навпаки, підвищує продуктивність, але може негативно впливати на точність та однорідність механічних властивостей. Час експонування кожного шару безпосередньо впливає на ступінь полімеризації фотополімерної смоли. Недостатній час експонування може призводити до неповного затвердіння матеріалу, зниження адгезії між шарами та появи дефектів. Надмірне експонування, у свою чергу, здатне спричиняти перевитрати матеріалу, втрату точності та утворення внутрішніх напружень у виробі. Тому підбір оптимального часу експонування є критично важливим для забезпечення стабільності процесу. 23 Інтенсивність світлового випромінювання визначає енергію, що передається фотополімеру під час експонування. Разом із часом засвічування вона формує сумарну дозу опромінення, яка впливає на глибину та рівномірність полімеризації шару. Нерівномірний розподіл інтенсивності може спричиняти локальні відхилення геометрії та неоднорідність механічних властивостей деталі. Орієнтація деталі у просторі 3D-принтера суттєво впливає на якість поверхні, механічну міцність та анізотропію властивостей виробу. Залежно від орієнтації змінюється напрямок накладання шарів відносно прикладених навантажень, що призводить до різної міцності у різних напрямах. Крім того, орієнтація визначає кількість нависаючих елементів і, відповідно, потребу у підтримках, що впливає на витрати матеріалу та якість поверхні після видалення допоміжних структур. Конфігурація підтримок включає їх кількість, розташування, геометрію та тип контакту з основною деталлю. Раціонально спроєктовані підтримки забезпечують стабільність процесу друку та мінімізують деформації, проте надмірна кількість підтримок ускладнює постобробку та може погіршувати якість поверхні у місцях контакту. Таким чином, конфігурація підтримок повинна підбиратися з урахуванням орієнтації деталі та вимог до якості поверхні. Параметри постобробки, зокрема промивання виробів у розчинниках та подальше ультрафіолетове дозатвердіння, завершують процес формування властивостей фотополімерних деталей. Недостатня постобробка може призводити до залишкової липкості поверхні та зниження механічних характеристик, тоді як надмірне дозатвердіння здатне підвищувати крихкість матеріалу. [13, 17] 24 1.6. Вплив товщини шару на геометричну точність і тривалість виготовлення Товщина шару є одним із визначальних параметрів фотополімерного 3D-друку, що безпосередньо впливає на геометричну точність, якість поверхні та тривалість виготовлення деталей. Оскільки формування виробу здійснюється шляхом послідовного накладання шарів фіксованої висоти, саме товщина шару визначає ступінь дискретизації тривимірної моделі у напрямку осі побудови. Зменшення товщини шару дозволяє більш точно відтворювати криволінійні та похилі поверхні, знижуючи вираженість так званого «ефекту сходинок». Це особливо важливо для деталей зі складною геометрією, високими вимогами до естетичних характеристик або точності сполучних поверхонь. Менша товщина шару також сприяє кращій апроксимації дрібних геометричних елементів та підвищенню загальної роздільної здатності друку. Водночас зменшення товщини шару призводить до істотного збільшення кількості шарів, необхідних для виготовлення деталі заданої висоти. Це, у свою чергу, зумовлює зростання загальної тривалості друку, оскільки кожен шар потребує окремого циклу експонування, переміщення платформи та стабілізації процесу. Крім того, збільшення кількості шарів підвищує ймовірність накопичення систематичних та випадкових похибок, пов’язаних з неточністю позиціонування, коливаннями параметрів експонування та нестабільністю властивостей фотополімерної смоли. Збільшення товщини шару, навпаки, дозволяє суттєво скоротити час виготовлення деталей і підвищити продуктивність процесу фотополімерного 3D-друку. Проте при цьому погіршується якість поверхні, зростає ступінчастість похилих поверхонь та знижується точність відтворення геометрії. Для функціональних деталей це може призводити до погіршення 25 посадкових характеристик, а для декоративних елементів — до необхідності додаткової механічної або хімічної обробки. Слід також враховувати, що товщина шару впливає не лише на геометричну точність, але й на механічні властивості виробів. Зміна товщини шару змінює умови формування міжшарової адгезії та ступінь полімеризації матеріалу, що може відображатися на міцності та жорсткості надрукованих деталей. У поєднанні з орієнтацією деталі цей фактор відіграє важливу роль у формуванні анізотропії властивостей. [19] Таким чином, оптимальний вибір товщини шару є компромісом між вимогами до геометричної точності, якості поверхні та допустимою тривалістю виготовлення деталей. Обґрунтований підбір цього параметра можливий лише з урахуванням конкретного призначення виробу та у поєднанні з іншими параметрами фотополімерного 3D-друку, що і є предметом подальших експериментальних досліджень у даній роботі. [19, 28] 1.7. Роль підтримок у фотополімерному друці Підтримки є невід’ємним елементом технологічного процесу фотополімерного 3D-друку та відіграють ключову роль у забезпеченні стабільності виготовлення деталей зі складною геометрією. Основним призначенням підтримок є фіксація нависаючих елементів і тонкостінних ділянок під час пошарового формування виробу, а також запобігання деформаціям і зриву друку внаслідок дії гравітаційних та інерційних сил. Особливо важливою їхня роль є при друці деталей з великими кутами нависання та значною висотою. Конструкція та розташування підтримок безпосередньо впливають на точність і якість поверхні надрукованих виробів. Неправильно спроєктовані підтримки можуть спричиняти локальні дефекти, зокрема сліди від точок контакту, пошкодження поверхні під час видалення допоміжних структур та нерівномірне затвердіння матеріалу у прилеглих зонах. Це, у свою чергу, призводить до погіршення зовнішнього вигляду деталей і збільшення обсягу постобробки. 26 Кількість і конфігурація підтримок істотно впливають на витрати матеріалу та загальну тривалість виготовлення деталей. Збільшення обсягу підтримок супроводжується зростанням часу друку, споживання фотополімерної смоли та витрат часу на їх подальше видалення. Водночас недостатня кількість підтримок може призвести до деформацій, провисання нависаючих елементів або повного руйнування деталі у процесі друку. Таким чином, проєктування підтримок потребує пошуку балансу між стабільністю процесу та мінімізацією негативних наслідків їх використання. Сучасні програмні засоби підготовки моделей до друку (слайсери) надають широкі можливості для автоматичного або ручного налаштування параметрів підтримок. Користувач може змінювати тип підтримок, їх густину, діаметр контактних елементів, кут розміщення та точки кріплення до основної деталі. Незважаючи на це, більшість алгоритмів автоматичного генерування підтримок базуються на загальних евристичних правилах і не завжди враховують специфіку конкретної геометрії, матеріалу або режимів друку. Відсутність універсальних рекомендацій щодо оптимального налаштування підтримок обумовлює значну варіативність результатів навіть за використання однакових матеріалів і обладнання. Це ускладнює стандартизацію процесу фотополімерного 3D-друку та підкреслює необхідність експериментального дослідження впливу конфігурації підтримок на точність, якість поверхні та механічні властивості деталей. Таким чином, підтримки слід розглядати не лише як допоміжний елемент, а як важливий параметр технологічного процесу фотополімерного 3D-друку, оптимізація якого має суттєвий вплив на якість і економічність виготовлення виробів. Дослідження ролі підтримок у поєднанні з іншими параметрами друку є важливою складовою комплексного підходу, реалізованого у даній магістерській роботі. [8, 29] 1.8. Аналіз існуючих досліджень і постановка задачі Аналіз сучасних наукових публікацій, присвячених фотополімерному 3D-друку, свідчить про значний інтерес дослідників до вивчення впливу 27 технологічних параметрів на якість і властивості надрукованих виробів. У науковій літературі широко представлені роботи, у яких розглядається вплив товщини шару, часу експонування, інтенсивності світлового випромінювання або орієнтації деталі на геометричну точність, шорсткість поверхні та механічні характеристики фотополімерних деталей. Отримані результати дозволили сформувати загальні уявлення про закономірності процесу фотополімерного друку. Разом із тим більшість наявних досліджень зосереджена на аналізі впливу окремих параметрів за фіксованих або спрощених умов експерименту. Такий підхід, хоча й дозволяє оцінити роль конкретного фактора, не враховує складну взаємодію між параметрами процесу фотополімерного 3D-друку. У реальних умовах виготовлення деталей зміна одного параметра, як правило, супроводжується зміною впливу інших, що може призводити до нелінійних ефектів і відхилень від очікуваних результатів. Особливо недостатньо дослідженим залишається сумісний вплив орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок. Дані параметри тісно пов’язані між собою та одночасно впливають на геометричну точність, механічну міцність і тривалість виготовлення виробів. Наприклад, вибір орієнтації визначає потребу у підтримках, а товщина шару впливає як на точність поверхні, так і на ефективність міжшарової адгезії. Відсутність комплексного підходу у більшості досліджень ускладнює формування практичних рекомендацій для інженерного застосування фотополімерного 3D- друку. У зв’язку з цим виникає необхідність проведення систематичного експериментального дослідження, спрямованого на оцінку сумісного впливу ключових параметрів фотополімерного 3D-друку. Таке дослідження має враховувати не лише окремі показники якості, але й їх взаємозв’язок, а також компроміси між точністю, міцністю та продуктивністю процесу. На основі проведеного аналізу літературних джерел у даній роботі сформульовано задачу комплексного дослідження впливу орієнтації деталі, 28 товщини шару та конфігурації підтримок на основні експлуатаційні характеристики виробів, виготовлених методом фотополімерного 3D-друку. Результати такого дослідження мають слугувати основою для розробки науково обґрунтованих рекомендацій щодо оптимізації параметрів друку, що й визначає напрям подальших розділів магістерської роботи.[14, 18, 42] 29 Висновки до розділу 1 У першому розділі магістерської роботи здійснено аналіз сучасного стану фотополімерних адитивних технологій та їх місця серед інших методів адитивного виробництва. Розглянуто принципи роботи фотополімерного 3D- друку, основні різновиди технологій, а також матеріали, що використовуються для виготовлення деталей із високими вимогами до точності та якості поверхні. У ході аналізу визначено ключові технологічні параметри фотополімерного друку, зокрема орієнтацію деталі у робочому просторі, товщину шару, параметри експонування та конфігурацію підтримок, які мають вирішальний вплив на геометричну точність, механічні властивості та тривалість виготовлення виробів. Показано, що зазначені параметри перебувають у тісному взаємозв’язку, а їх зміна призводить до комплексного впливу на якість надрукованих деталей. Аналіз наукових публікацій засвідчив, що більшість існуючих досліджень присвячена вивченню впливу окремих параметрів фотополімерного 3D-друку, тоді як питання їх сумісної дії залишаються недостатньо опрацьованими. Це ускладнює формування універсальних практичних рекомендацій щодо оптимізації процесу друку в умовах реального виробництва. На підставі проведеного аналізу обґрунтовано доцільність виконання комплексного експериментального дослідження, спрямованого на оцінку сумісного впливу орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок на основні експлуатаційні характеристики фотополімерних виробів. Отримані результати мають стати основою для розробки науково обґрунтованих рекомендацій щодо вибору параметрів фотополімерного 3D-друку, що й визначає напрям подальших розділів магістерської роботи. 30 31 РОЗДІЛ 2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D- ДРУКУ 32 2.1. Загальна концепція дослідження Дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики деталей базується на системному підході, який передбачає одночасний аналіз декількох взаємопов’язаних факторів технологічного процесу. Такий підхід дозволяє врахувати не лише окремий вплив кожного параметра, але й їх взаємодію, що є характерною особливістю фотополімерних адитивних технологій у реальних умовах виготовлення виробів. У даній роботі як основні керовані параметри процесу фотополімерного 3D-друку розглядаються орієнтація деталі у робочому просторі принтера, товщина шару та конфігурація підтримок. Вибір саме цих параметрів зумовлений їх істотним впливом на формування геометрії виробу, міжшарову адгезію, умови полімеризації та стабільність процесу друку. Крім того, зазначені параметри є найбільш доступними для керування на етапі підготовки моделей до друку, що підвищує практичну цінність отриманих результатів. Дослідження побудоване за принципом варіювання вибраних параметрів у заданих межах з подальшим аналізом змін експлуатаційних характеристик надрукованих деталей. Такий підхід дозволяє виявити закономірності впливу кожного параметра, а також оцінити їх сумісну дію. Особлива увага приділяється аналізу компромісів між якістю виробів і продуктивністю процесу, що є характерним для фотополімерного 3D-друку. Як критерії оцінки якості виготовлених деталей у роботі обрано геометричну точність, механічну міцність та тривалість виготовлення. Геометрична точність характеризує здатність технології відтворювати задані розміри та форму деталей і є критичною для функціональних виробів. Механічна міцність відображає надійність деталей при експлуатаційних навантаженнях і дозволяє оцінити вплив анізотропії властивостей. Тривалість 33 виготовлення, у свою чергу, є важливим показником ефективності технологічного процесу та його придатності для практичного застосування. Таким чином, загальна концепція дослідження спрямована на комплексну оцінку впливу ключових параметрів фотополімерного 3D-друку на основні експлуатаційні характеристики деталей. Реалізація такого підходу дозволяє сформувати науково обґрунтовану методику аналізу параметрів друку та створює основу для проведення експериментальних досліджень, результати яких будуть наведені у наступних підпунктах розділу. 34 2.2. Формування системи факторів та показників 2.2.1. Керовані фактори Для реалізації поставленої мети дослідження сформовано систему керованих факторів, які безпосередньо впливають на процес фотополімерного 3D-друку та можуть бути змінені на етапі підготовки моделі до виготовлення. Вибір факторів здійснювався з урахуванням їх значущості для якості надрукованих виробів, доступності регулювання на більшості сучасних фотополімерних 3D-принтерів та можливості відтворення умов експерименту. У межах даного дослідження як змінні фактори обрано орієнтацію деталі у робочому просторі, товщину шару друку та конфігурацію підтримок. Кожен з факторів розглядається на трьох рівнях, що дозволяє оцінити як їх індивідуальний вплив, так і можливі взаємодії між ними. орієнтація деталі у робочому просторі (0°, 45°, 90°); товщина шару друку (0,025 мм; 0,05 мм; 0,1 мм); конфігурація підтримок (автоматична, мінімізована, ручна). Орієнтація деталі у робочому просторі варіювалася у трьох характерних положеннях: 0°, 45° та 90°. Обрані значення відповідають найбільш поширеним варіантам розміщення моделей під час фотополімерного 3D-друку та дозволяють оцінити вплив напрямку формування шарів на геометричну точність і механічну міцність деталей. Зокрема, орієнтація 0° відповідає горизонтальному розташуванню деталі, 90° — вертикальному, а 45° є проміжним варіантом, що часто використовується для зменшення кількості підтримок і покращення якості поверхні. Товщина шару друку у дослідженні приймалася рівною 0,025 мм; 0,05 мм та 0,1 мм. Дані значення охоплюють типовий діапазон товщин шару для 35 фотополімерного 3D-друку та дозволяють дослідити компроміс між геометричною точністю і тривалістю виготовлення деталей. Мінімальне значення забезпечує підвищену точність і якість поверхні, тоді як максимальне — підвищену продуктивність процесу. Конфігурація підтримок розглядалася у трьох варіантах: автоматична, мінімізована та ручна. Автоматична конфігурація формується програмним забезпеченням без втручання оператора та відповідає типовим налаштуванням слайсера. Мінімізована конфігурація передбачає зменшення кількості підтримок за рахунок оптимізації орієнтації та параметрів генерації. Ручна конфігурація підтримок створюється оператором з урахуванням геометрії деталі та вимог до якості поверхні, що дозволяє оцінити вплив людського фактору та індивідуального підходу до підготовки моделей. Вибір зазначених керованих факторів та рівнів їх варіювання зумовлений їх суттєвим впливом на якість виробів і можливістю практичної реалізації на більшості фотополімерних 3D-принтерів. Такий підхід забезпечує відтворюваність експерименту та підвищує прикладну цінність отриманих результатів. 36 2.2.2. Вихідні показники якості Вихідними параметрами дослідження є: абсолютні та відносні відхилення лінійних розмірів; межа міцності при розтягу; модуль пружності; загальний час виготовлення деталі. Одним з основних показників якості є абсолютні та відносні відхилення лінійних розмірів надрукованих деталей від номінальних значень, заданих у цифровій 3D-моделі. Абсолютні відхилення характеризують фактичну різницю між виміряним та номінальним розміром, тоді як відносні відхилення дозволяють оцінити точність виготовлення з урахуванням масштабу деталі. Аналіз цих показників дає змогу визначити вплив параметрів друку на геометричну точність та стабільність розмірів виробів. Для оцінки механічних властивостей фотополімерних деталей у роботі використовується межа міцності при розтягу. Даний показник відображає максимальне напруження, яке матеріал може витримати до руйнування, і є одним з основних критеріїв працездатності виробів при експлуатаційних навантаженнях. Вимірювання межі міцності дозволяє оцінити вплив орієнтації деталі та товщини шару на міжшарову адгезію та анізотропію властивостей. Додатковим механічним показником є модуль пружності, який характеризує жорсткість матеріалу та його здатність чинити опір пружним деформаціям. Аналіз модуля пружності у поєднанні з межею міцності дозволяє більш повно описати механічну поведінку надрукованих деталей та оцінити їх придатність для використання у функціональних конструкціях. Для оцінки ефективності технологічного процесу фотополімерного 3D- друку використовується загальний час виготовлення деталі, який включає час безпосереднього друку та, за необхідності, допоміжні технологічні операції. 37 Даний показник дозволяє проаналізувати вплив товщини шару, орієнтації деталі та конфігурації підтримок на продуктивність процесу та визначити оптимальні режими друку з урахуванням часових обмежень. 38 2.3. Теоретичні передумови впливу орієнтації друку Теоретичні передумови впливу орієнтації деталі у процесі фотополімерного 3D-друку зумовлені анізотропією властивостей фотополімерного матеріалу, яка виникає внаслідок пошарового формування виробу. Кожен шар полімеризується окремо, а зчеплення між шарами забезпечується за рахунок часткової дифузії полімерних ланцюгів та додаткової полімеризації під час експонування наступних шарів. У результаті цього міжшарові зв’язки, як правило, мають нижчу міцність порівняно з міцністю матеріалу в межах одного шару. Анізотропія механічних властивостей проявляється насамперед у різній міцності та жорсткості деталей залежно від напрямку прикладеного навантаження. Якщо навантаження діє перпендикулярно до площини шарів, руйнування зазвичай відбувається по міжшарових межах, що зумовлює зниження міцності при розтягу або згині. У випадку, коли навантаження діє паралельно шарам, міцність деталей є вищою та ближчою до властивостей суцільного матеріалу. Таким чином, орієнтація деталі визначає характер напружено-деформованого стану та механічну поведінку виробу при експлуатації. Орієнтація деталі визначає: напрям дії навантаження відносно шарів; характер формування нависаючих елементів; потребу в підтримках; якість поверхні після постобробки. Орієнтація деталі у робочому просторі 3D-принтера також впливає на напрям дії навантаження відносно шарів, що є особливо важливим для функціональних деталей, які працюють під розтягувальними або згинальними навантаженнями. Раціональний вибір орієнтації дозволяє розмістити найбільш 39 навантажені елементи таким чином, щоб основні напруження діяли вздовж шарів, зменшуючи ризик міжшарового руйнування. Крім механічних аспектів, орієнтація визначає характер формування нависаючих елементів та геометрію похилих і криволінійних поверхонь. Зміна орієнтації може призводити до збільшення або зменшення кількості нависань, що безпосередньо впливає на стабільність процесу друку та точність відтворення геометрії. Для фотополімерного 3D-друку це має особливе значення, оскільки нависаючі елементи потребують застосування підтримок. У свою чергу, орієнтація деталі визначає потребу в підтримках, їх кількість та розташування. Збільшення кількості підтримок призводить до підвищення витрат матеріалу, ускладнення постобробки та погіршення якості поверхні у місцях контакту. Тому оптимізація орієнтації часто розглядається як один з ефективних способів мінімізації допоміжних структур без втрати стабільності процесу друку. Орієнтація деталі також впливає на якість поверхні після постобробки. Поверхні, що контактують з підтримками або формуються під значним кутом до площини шару, зазвичай мають вищу шорсткість та потребують додаткової обробки. Вибір орієнтації дозволяє винести критичні з точки зору точності та зовнішнього вигляду поверхні у зони з мінімальним впливом ступінчастого ефекту та контактів з підтримками. 40 2.4. Теоретичні аспекти впливу товщини шару Товщина шару є одним із ключових параметрів фотополімерного 3D- друку, який безпосередньо визначає дискретність апроксимації геометрії деталі у напрямку осі побудови. Оскільки формування виробу відбувається шляхом послідовного накладання шарів фіксованої висоти, саме товщина шару визначає ступінь відповідності реальної геометрії деталі її цифровій 3D- моделі. Чим меншою є товщина шару, тим точніше відтворюються криволінійні та похилі поверхні. Зменшення товщини шару дозволяє суттєво знизити вираженість так званого «ефекту сходинок», який є характерним для пошарового виготовлення деталей. Це особливо важливо для поверхонь, що виконують функціональну або естетичну роль, а також для елементів із малими радіусами кривизни. Водночас зменшення товщини шару супроводжується зростанням кількості шарів, необхідних для формування деталі заданої висоти, що призводить до збільшення кількості циклів експонування та загальної тривалості процесу друку. З технологічної точки зору збільшення кількості шарів підвищує чутливість процесу фотополімерного 3D-друку до накопичення похибок. До таких похибок належать неточності позиціонування платформи, коливання параметрів світлового випромінювання та зміни властивостей фотополімерної смоли в процесі друку. У сукупності це може призводити до відхилень геометричних розмірів та зниження відтворюваності результатів при використанні надмірно малих товщин шару. З точки зору механіки матеріалів товщина шару впливає на характер формування міжшарової структури та умови розподілу напружень у надрукованій деталі. Тонші шари сприяють більш рівномірному розподілу напружень між шарами та зменшенню концентрацій напружень на міжшарових межах. Це може позитивно впливати на механічні 41 характеристики виробів, зокрема на міцність при розтягу та згині, особливо у напрямках, перпендикулярних до площини шарів. Разом із тим надмірне зменшення товщини шару не завжди призводить до пропорційного покращення механічних властивостей. Це пов’язано з тим, що ефективність міжшарової адгезії визначається не лише геометричними параметрами, але й режимами експонування, хімічним складом фотополімеру та умовами постобробки. У деяких випадках збільшення товщини шару може забезпечувати більш глибоку полімеризацію та кращий міжшаровий зв’язок, що позитивно впливає на міцність деталей. 42 2.5. Теоретичні основи формування та функціонування підтримок Підтримки у фотополімерному 3D-друці виконують роль тимчасових конструктивних елементів, призначених для забезпечення стабільності та геометричної цілісності деталей у процесі їх пошарового формування. Основною функцією підтримок є фіксація нависаючих елементів і тонкостінних ділянок, які не можуть самостійно утримувати задану форму під час полімеризації фотополімерної смоли. У процесі друку підтримки сприймають частину навантаження від власної ваги деталі, а також сил, що виникають під час відриву шару від поверхні ванни або платформи. З точки зору механіки процесу фотополімерного друку підтримки забезпечують перерозподіл навантажень, що діють на деталь у процесі її формування. Під час кожного циклу експонування та переміщення платформи виникають сили адгезії між затверділим шаром і поверхнею ванни, які можуть призводити до локальних деформацій або відшарування елементів деталі. Наявність підтримок зменшує концентрацію цих сил у критичних зонах та підвищує загальну стабільність процесу друку. Разом із тим надмірна кількість підтримок має низку негативних наслідків. По-перше, контакт підтримок з основною деталлю призводить до погіршення якості поверхні у місцях їх кріплення, що проявляється у вигляді нерівностей, слідів від точок контакту та локальних дефектів після видалення підтримок. По-друге, збільшення обсягу підтримок супроводжується зростанням витрат фотополімерного матеріалу та збільшенням тривалості процесу друку. По-третє, велика кількість підтримок ускладнює процес постобробки, підвищує ризик пошкодження деталі та збільшує загальні трудовитрати. У випадку недостатньої кількості підтримок або їх нераціонального розташування виникає ризик деформації або руйнування деталі безпосередньо під час друку. Провисання нависаючих елементів, відрив окремих шарів або повний зрив друку є типовими наслідками неправильно спроєктованої 43 системи підтримок. Це особливо актуально для деталей складної геометрії та виробів великої висоти. Таким чином, формування підтримок у фотополімерному 3D-друці має компромісний характер і вимагає пошуку оптимального балансу між забезпеченням стабільності процесу та мінімізацією негативного впливу на якість і економічність виготовлення деталей. Теоретичні передумови функціонування підтримок свідчать про необхідність їх розгляду як одного з ключових параметрів технологічного процесу, оптимізація якого повинна здійснюватися у взаємозв’язку з орієнтацією деталі та товщиною шару. Розуміння зазначених теоретичних аспектів є необхідною основою для подальшого експериментального дослідження впливу конфігурації підтримок на геометричну точність, механічні властивості та тривалість виготовлення фотополімерних деталей, що реалізується у наступних підпунктах даного розділу. 2.6. Методика планування експерименту Для дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики деталей у даній роботі застосовується повний факторний експеримент. Обраний підхід передбачає одночасне варіювання всіх визначених керованих факторів, що дозволяє оцінити як їх індивідуальний вплив, так і можливі взаємодії між ними. Експериментальна схема включає три фактори, кожен з яких розглядається на трьох рівнях. До таких факторів належать орієнтація деталі у робочому просторі, товщина шару друку та конфігурація підтримок. За такої кількості факторів і рівнів загальна кількість експериментальних комбінацій становить 27, що відповідає повному факторному плану типу 3³. Використання повного факторного експерименту забезпечує повноту дослідження та дозволяє отримати достовірні дані щодо сумісного впливу параметрів процесу. 44 З метою підвищення достовірності та відтворюваності результатів кожна експериментальна комбінація повторюється не менше трьох разів. Повторюваність експериментів дозволяє врахувати випадкові похибки процесу фотополімерного 3D-друку, зумовлені нестабільністю властивостей матеріалу, коливаннями параметрів обладнання та впливом зовнішніх факторів. За результатами повторних вимірювань обчислюються середні значення вихідних показників, а також показники розсіювання, зокрема середньоквадратичне відхилення та довірчі інтервали. Планування експерименту здійснюється таким чином, щоб мінімізувати систематичні похибки та забезпечити однакові умови виготовлення для всіх зразків. Для цього порядок виконання експериментальних комбінацій може змінюватися або рандомізуватися, а параметри, що не є предметом дослідження, підтримуються сталими протягом усього експерименту. Обрана методика планування експерименту забезпечує можливість проведення статистично обґрунтованого аналізу отриманих даних та дозволяє виявити закономірності впливу орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок на основні експлуатаційні характеристики фотополімерних виробів. Отримані результати слугують основою для подальшої обробки даних із застосуванням методів дисперсійного та регресійного аналізу. 45 2.7. Методика проведення експериментів Процес експериментального дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики деталей здійснюється відповідно до розробленого плану експерименту та включає послідовне виконання низки етапів, спрямованих на забезпечення відтворюваності та достовірності результатів. Першим етапом експерименту є підготовка 3D-моделей тестових зразків. Геометрія зразків розробляється у середовищі автоматизованого проєктування з урахуванням вимог до вимірювання геометричної точності та механічних характеристик. Для забезпечення коректності порівняння результатів усі зразки мають ідентичну форму та номінальні розміри, а їх цифрові моделі використовуються для всіх експериментальних комбінацій без змін. На другому етапі здійснюється налаштування параметрів друку відповідно до плану експерименту. Для кожної експериментальної комбінації встановлюються задані значення орієнтації деталі, товщини шару та конфігурації підтримок. Інші параметри процесу фотополімерного 3D-друку, зокрема тип матеріалу, час експонування базових шарів, інтенсивність світлового випромінювання та умови навколишнього середовища, підтримуються сталими протягом усього експерименту з метою усунення впливу сторонніх факторів. Третім етапом є виготовлення зразків на фотополімерному 3D-принтері. Друк здійснюється відповідно до заданих параметрів із дотриманням рекомендацій виробника обладнання та матеріалів. Для кожної експериментальної комбінації виготовляється не менше трьох зразків, що забезпечує можливість статистичної обробки отриманих результатів та оцінки розсіювання вимірювань. Після завершення процесу друку виконується постобробка зразків, яка включає видалення залишків незатверділого фотополімеру, очищення 46 поверхні та зняття підтримок. За необхідності проводиться додаткове ультрафіолетове дозатвердіння зразків для завершення процесу полімеризації та стабілізації їх механічних властивостей. Усі операції постобробки здійснюються за однаковими умовами для всіх зразків з метою забезпечення порівнянності результатів. Завершальним етапом експериментального дослідження є проведення вимірювань. Геометричні параметри зразків вимірюються за допомогою відповідних вимірювальних засобів з необхідною точністю, після чого визначаються абсолютні та відносні відхилення розмірів. Механічні випробування проводяться згідно з прийнятими методиками для визначення межі міцності при розтягу та модуля пружності. Додатково фіксується загальний час виготовлення кожної деталі відповідно до заданих параметрів друку. Обрана методика проведення експериментів забезпечує системний та відтворюваний підхід до дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку. Отримані в ході експерименту дані слугують основою для подальшої статистичної обробки та аналізу, результати яких наведені у наступному розділі магістерської роботи. 47 2.8. Методи вимірювання та обробки результатів Для отримання достовірних і відтворюваних результатів експериментального дослідження у даній роботі застосовується комплекс методів вимірювання геометричних та механічних характеристик фотополімерних деталей, а також статистичних методів обробки експериментальних даних. Вимірювання геометричних параметрів надрукованих зразків здійснюється з використанням як контактних, так і безконтактних методів. Контактні методи передбачають використання вимірювальних інструментів для визначення лінійних розмірів зразків з необхідною точністю. Безконтактні методи застосовуються для оцінки складних геометричних елементів та поверхонь і дозволяють мінімізувати вплив оператора на результати вимірювань. На основі отриманих даних визначаються абсолютні та відносні відхилення фактичних розмірів від номінальних значень, заданих у цифровій 3D-моделі. Механічні характеристики фотополімерних зразків визначаються шляхом стандартних випробувань на розтяг відповідно до загальноприйнятих методик. У процесі випробувань реєструються значення прикладеного навантаження та відповідні деформації, на основі яких будуються діаграми «напруження–деформація». За отриманими діаграмами визначаються межа міцності при розтягу та модуль пружності, які характеризують міцнісні та деформаційні властивості надрукованих деталей. Для кожної експериментальної комбінації результати вимірювань обробляються з урахуванням повторюваності дослідів. Обчислюються середні значення вихідних показників, а також статистичні характеристики розсіювання, зокрема середньоквадратичне відхилення. Це дозволяє оцінити стабільність процесу фотополімерного 3D-друку та надійність отриманих результатів. 48 Висновки до розділу 2 У другому розділі магістерської роботи сформовано теоретичну та методичну основу дослідження впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики деталей. На підставі аналізу фізичних, технологічних та механічних передумов процесу обґрунтовано вибір основних керованих факторів, зокрема орієнтації деталі у робочому просторі, товщини шару друку та конфігурації підтримок. У межах розділу визначено систему вихідних показників якості, що дозволяє комплексно оцінити результати фотополімерного 3D-друку. До таких показників віднесено геометричну точність, механічні властивості та тривалість виготовлення деталей, які у сукупності характеризують ефективність і практичну придатність технологічного процесу. Розроблено методику планування експерименту на основі повного факторного плану з трьома факторами та трьома рівнями кожного з них, що забезпечує можливість аналізу як індивідуального, так і сумісного впливу параметрів фотополімерного 3D-друку. Описано послідовність проведення експериментальних досліджень, методи вимірювання геометричних і механічних характеристик, а також підходи до статистичної обробки отриманих результатів із використанням дисперсійного та регресійного аналізу. [21, 22, 23, 24, 30] 49 РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ 50 3.1. Мета та загальна характеристика експерименту Метою експериментального дослідження є отримання кількісних даних щодо впливу орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок на геометричну точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей, виготовлених методом фотополімерного 3D-друку. Отримані експериментальні дані слугують основою для перевірки теоретичних положень, сформульованих у попередніх розділах роботи, а також для встановлення кількісних залежностей між параметрами технологічного процесу та експлуатаційними характеристиками виробів. Експериментальне дослідження проводилося відповідно до методики, розробленої у другому розділі магістерської роботи, з використанням повного факторного плану експерименту. У межах дослідження реалізовано варіювання трьох керованих факторів — орієнтації деталі, товщини шару друку та конфігурації підтримок — на трьох рівнях кожного фактора, що забезпечило всебічний аналіз як індивідуального, так і сумісного впливу параметрів фотополімерного 3D-друку. Для забезпечення коректності порівняння результатів експерименту виготовлення зразків здійснювалося за однакових умов друку та постобробки для всіх серій. Параметри, що не були предметом дослідження, зокрема тип фотополімерного матеріалу, налаштування експонування базових шарів, умови навколишнього середовища та режими постобробки, підтримувалися сталими протягом усього експерименту. Це дозволило мінімізувати вплив сторонніх факторів та зосередити аналіз на досліджуваних параметрах. Кожна експериментальна комбінація реалізовувалася з повторенням не менше трьох разів, що забезпечило можливість статистичної обробки результатів та оцінки розсіювання вимірювань. За результатами випробувань визначалися середні значення геометричних і механічних показників, а також тривалість виготовлення деталей для кожного набору параметрів друку. 51 3.2. Обладнання та матеріали Для проведення експериментів використовувався фотополімерний 3D- принтер настільного типу з LCD-технологією друку, зображений на рисунку 3.1 Рис. 3.1 Принтер Anycubic Photon Mono X2 Основні технічні характеристики 3D-принтера: тип технології: LCD (Masked SLA); довжина хвилі випромінювання: 405 нм; мінімальна товщина шару: 0.005 мм; об’єм побудови: 200×196×122 мм. 52 Як матеріал використовувалась покращена фотополімерна смола типу water washable для зменшення витрат ізопропілового спирту для постобробки та в цілях вищої екологічності порівняно зі звичайними інженерними смолами, зображена на рисунку 3.2 Рис. 3.2 Фотополімерна смола Anycubic Water-Wash Resin Основні властивості фотополімерної смоли (за даними виробника): Тип: фотополімерна смола, що змивається водою (water washable resin) — після друку деталі можна мити звичайною водою. Спектр засвічування: 365–405 нм (підходить для більшості LCD/DLP принтерів). Густина: приблизно 1.20 г/см³. 53 В’язкість (при 25 °C): ~150–250 мПа·с — низька в’язкість забезпечує кращий потік і легше промивання. Твердість (Shore D): приблизно 80–85 D — тверда, але не крихка поверхня. Міцність на розрив / вигин: ~30–60 МПа залежно від умов пост-обробки. Подовження при розриві: 8-22% Усадка: 2.2% Температура деформації під навантаженням: ~60–65 °C — помірна теплостійкість. 54 3.3. Підготовка тестових зразків Для дослідження було розроблено кілька типів тестових зразків: зразки для оцінки геометричної точності; зразки для механічних випробувань; допоміжні зразки для оцінки якості поверхні та впливу підтримок. 3D-моделі були створені у CAD-системі та експортовані у формат STL. Підготовка до друку здійснювалась у спеціалізованому програмному забезпеченні-слайсері. Також перед початком друку тестових зразків було проведено додатковий експеримент для визначення оптимального часу засвічення шару для отримання найбільшої точності друку. Для цього було використано тестову модель, зображену на рисунку 3.3 та унікальний функціонал принтеру, що забезпечує можливість виконувати 8 різних часів засвічення під час одного друку. 55 Рис. 3.3 Тестова модель для визначення оптимального часу засвічення шару Експеримент з визначенням часу було проведено тричі для визначення оптимального часу для кожної товщини шару. Результатами експерименту є наступні значення: Товщина шару 0.04 мм - час засвічення 2.5 сек Товщина шару 0.045 мм - час засвічення 2.3 сек Товщина шару 0.05 мм - час засвічення 2.1 сек 56 Рис. 3.4 результат експерименту з визначення оптимального часу засвічення шару товщиною 0.05 мм 57 3.4. Параметри друку та план експерименту Параметри друку змінювались відповідно до повного факторного плану експерименту. Змінні параметри: орієнтація зразка: 0°, 45°, 90°; товщина шару: 0,04 мм; 0,045 мм та 0,05 мм; тип підтримок: автоматичні, мінімізовані, ручні. Постійні параметри: час експонування шару; температура навколишнього середовища; швидкість підйому платформи; режими промивання та UV-дозасвічування. Загальна кількість експериментальних серій склала 27, кожна з яких була повторена тричі. 58 3.5. Процес виготовлення та постобробки зразків Виготовлення експериментальних зразків здійснювалося методом фотополімерного 3D-друку у стандартних умовах, що відповідають рекомендаціям виробника обладнання та фотополімерного матеріалу. Перед початком кожної серії друку проводилося попереднє калібрування робочої платформи, яке забезпечувало коректне позиціонування першого шару та стабільність процесу формування зразків. Дотримання однакових умов виготовлення для всіх серій дозволило мінімізувати вплив сторонніх факторів на результати експерименту. Процес друку виконувався відповідно до параметрів, визначених планом експерименту, з фіксацією загального часу виготовлення кожного зразка. Після завершення процесу фотополімерного 3D-друку зразки піддавалися стандартизованій процедурі постобробки, яка є необхідною для завершення процесу полімеризації та формування стабільних механічних властивостей матеріалу. Процес постобробки включав наступні процеси: промивання в ультразвуковій ванні з використанням води; видалення підтримок; додаткове ультрафіолетове дозасвічування; стабілізацію механічних властивостей протягом 5 годин. Першим етапом постобробки було промивання зразків в ультразвуковій ванні з використанням води, що забезпечувало видалення залишків незатверділого фотополімеру з поверхні та внутрішніх порожнин. Використання ультразвукових коливань сприяло більш ефективному очищенню складних геометричних елементів і зменшенню ймовірності утворення поверхневих дефектів. Наступним етапом виконувалося видалення підтримок, яке здійснювалося механічним способом із дотриманням обережності для 59 запобігання пошкодженню основної деталі. Особлива увага приділялася зонам контакту підтримок із функціонально важливими поверхнями, оскільки якість їх обробки безпосередньо впливає на результати вимірювання геометричної точності та механічних характеристик. Після видалення підтримок зразки піддавалися додатковому ультрафіолетовому дозасвічуванню, метою якого було завершення процесу полімеризації фотополімерного матеріалу. Дозасвічування проводилося за сталих умов для всіх зразків, що дозволило забезпечити однаковий ступінь затвердіння матеріалу та порівнянність результатів механічних випробувань. Завершальним етапом постобробки була стабілізація механічних властивостей зразків протягом 5 годин після ультрафіолетового дозасвічування. Даний етап дозволяв зменшити вплив залишкових внутрішніх напружень та забезпечити стабільність механічних характеристик матеріалу перед проведенням вимірювань і випробувань. 60 3.6. Результати вимірювання геометричної точності Геометрична точність оцінювалась шляхом порівняння номінальних розмірів 3D-моделей з фактичними розмірами надрукованих зразків. Номінальні розміри деталі: довжина L₀ = 100,00 мм діаметр D₀ = 15,00 мм Вимірювання проводились штангенциркулем після постобробки зразків. Для кожного зразка визначались: абсолютні відхилення лінійних розмірів; відносні похибки; середні значення та стандартні відхилення. Результати вимірювань наведені у таблицях та проілюстровані графіками залежності точності від параметрів друку. 61 Таблиця 3.1 Геометрична точність надрукованих зразків Орієнта Товщи Тип Середнє Середнє Віднос Віднос Стандар ція на підтримо відхиле відхиле на на тне шару, к ння ння похибк похиб відхилен мм довжин діаметр а ка ня, мм и, мм а, мм довжи діамет ни, % ра, % 0° 0,04 ручні +0,06 +0,03 0,06 0,20 0,02 0° 0,04 мінімізов +0,08 +0,04 0,08 0,27 0,03 ані 0° 0,04 автомати +0,11 +0,06 0,11 0,40 0,04 чні 0° 0,05 ручні +0,09 +0,05 0,09 0,33 0,03 45° 0,04 ручні +0,14 +0,09 0,14 0,60 0,05 45° 0,04 мінімізов +0,17 +0,11 0,17 0,73 0,06 ані 45° 0,04 автомати +0,21 +0,14 0,21 0,93 0,07 чні 45° 0,05 ручні +0,18 +0,12 0,18 0,80 0,06 90° 0,04 ручні +0,26 +0,18 0,26 1,20 0,08 90° 0,04 мінімізов +0,30 +0,21 0,30 1,40 0,09 ані 90° 0,04 автомати +0,35 +0,26 0,35 1,73 0,11 чні Аналіз результатів вимірювання геометричної точності показав, що найменші відхилення лінійних розмірів спостерігаються для зразків, надрукованих при орієнтації 0° з мінімальною товщиною шару та 62 використанням ручних підтримок. Зі збільшенням кута орієнтації та товщини шару абсолютні та відносні похибки зростають, що пов’язано з накопиченням міжшарових похибок і деформацій у процесі фотополімеризації. рис 3.5 Залежність точності друку від кута орієнтації Зі збільшенням кута орієнтації зразка відносно платформи друку спостерігається зростання відносної похибки геометричних розмірів, що пояснюється накопиченням міжшарових похибок та деформацій у процесі фотополімеризації. 63 рис 3.6 Залежність точності друку від товщини шару Збільшення товщини шару призводить до зростання абсолютного відхилення лінійних розмірів, що пов’язано зі зменшенням роздільної здатності процесу друку по осі Z. 64 3.7. Результати механічних випробувань Механічні випробування проводились методом одноосьового розтягу відповідно до вимог стандарту ASTM D638 (або ISO 527). Для кожної серії зразків визначались: межа міцності при розтягу; модуль пружності; відносне подовження при руйнуванні. Отримані результати дозволили оцінити анізотропію механічних властивостей, зумовлену орієнтацією друку. 3.7.1. Визначення механічних характеристик матеріалу при випробуванні на розтяг Випробування зразків на розтяг є одним з основних методів оцінки механічних властивостей полімерних матеріалів і проводиться відповідно до стандартів ISO 527 або ASTM D638. У процесі випробування зразок піддається одноосьовому навантаженню зі зростаючою силою до моменту руйнування, при цьому реєструється залежність напруження від деформації. 1. Межа міцності при розтягу Межа міцності при розтягу (σₘ, МПа) — це максимальне інженерне напруження, яке матеріал витримує під час розтягування до моменту руйнування зразка. Вона визначається за формулою: 65 Фізичний зміст: показує здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією розтягувального навантаження. 2. Модуль пружності (модуль Юнга) Модуль пружності (E, МПа) характеризує жорсткість матеріалу та визначається як відношення напруження до відповідної пружної деформації в лінійній (еластичній) області діаграми «напруження–деформація». На практиці модуль пружності визначається як нахил початкової лінійної ділянки діаграми розтягу. Фізичний зміст: показує, наскільки матеріал опирається пружній деформації. Діаграма «напруження–деформація» У ході випробування формується крива, яка включає: 66 1. Лінійну (пружну) область — використовується для визначення модуля пружності. 2. Нелінійну область — відповідає пластичній деформації. 3. Максимум кривої — відповідає межі міцності. 4. Точка розриву — використовується для визначення відносного подовження. Рис. 3.7 Діаграма Напруження-Деформація Ключові тенденції Орієнтація 0° забезпечує максимальну міцність і модуль пружності через вирівнювання шарів уздовж осі навантаження. Збільшення товщини шару призводить до зниження міцності та жорсткості через зменшення міжшарової адгезії. Орієнтація 90° демонструє найменшу міцність, але найбільше відносне подовження. 67 Ручні підтримки забезпечують кращі механічні властивості завдяки зменшенню локальних дефектів у зоні навантаження. 68 3.8. Аналіз тривалості виготовлення Тривалість виготовлення кожного зразка визначалась як сума часу друку та часу постобробки. Аналіз показав, що товщина шару та орієнтація деталі мають найбільший вплив на загальний час виготовлення. Результати подані у вигляді діаграм та порівняльних таблиць. Геометрія деталі: Циліндр – довжина: 100 мм – діаметр: 15 мм Технологія друку: LCD-SLA Матеріал: Anycubic Water-Wash Resin v2 Black Час експозиції шару, визначені під час експерименту в пункті 3.3: o 0,04 мм → 2,5 с o 0,045 мм → 2,3 с o 0,05 мм → 2,1 с Допоміжний час (підйом платформи, відлипання): 2,5 с/шар Залежність від орієнтації: o 0° — мінімальна кількість шарів o 45° — середня o 90° — максимальна кількість шарів 69 Таблиця 3.1 Товщина шару 0.04 мм Орієнтація Висота, мм Кількість шарів 0° 15 375 45° 81,5 2038 90° 100 2500 Таблиця 3.2 Товщина шару 0.045 мм Орієнтація Висота, мм Кількість шарів 0° 15 333 45° 81,5 1811 90° 100 2222 Таблиця 3.3 Товщина шару 0.05 мм Орієнтація Висота, мм Кількість шарів 0° 15 300 45° 81,5 1630 90° 100 2000 70 3.9. Узагальнення експериментальних результатів На основі отриманих експериментальних даних було встановлено: залежності між параметрами друку та геометричною точністю; вплив орієнтації на механічну міцність; компроміс між якістю та тривалістю виготовлення. Результати експериментів наведені в таблиці 3.4 Таблиця 3.4 Узагальнені результати експериментів Орієнт Товщ Тип Висо Кількі Час Межа Модул Відносн ація ина підтрим та сть дру міцно ь е шару, ок друк шарів ку, сті, пружно подовже мм у, хв МПа сті, ння, % мм МПа 0° 0,04 автомат 15 375 33 53,5 2800 10,6 ичні 0° 0,04 мінімізо 15 375 32 54,7 2880 11,2 вані 0° 0,04 ручні 15 375 31 56,2 2950 11,8 0° 0,045 автомат 15 333 29 51,4 2680 9,8 ичні 0° 0,045 мінімізо 15 333 28 52,8 2750 10,3 вані 0° 0,045 ручні 15 333 27 54,1 2820 10,9 0° 0,05 автомат 15 300 25 48,9 2550 9,1 ичні 0° 0,05 мінімізо 15 300 24 50,3 2620 9,6 вані 0° 0,05 ручні 15 300 23 51,9 2700 10,1 71 45° 0,04 автомат 81,5 2038 180 45,8 2300 12,4 ичні 45° 0,04 мінімізо 81,5 2038 175 47,1 2380 13,1 вані 45° 0,04 ручні 81,5 2038 170 48,6 2450 13,9 45° 0,045 автомат 81,5 1811 155 43,6 2200 11,4 ичні 45° 0,045 мінімізо 81,5 1811 150 45,0 2280 12,1 вані 45° 0,045 ручні 81,5 1811 145 46,4 2350 12,8 45° 0,05 автомат 81,5 1630 135 41,2 2100 10,5 ичні 45° 0,05 мінімізо 81,5 1630 130 42,7 2180 11,2 вані 45° 0,05 ручні 81,5 1630 125 44,1 2250 11,9 90° 0,04 автомат 100 2500 220 36,1 1950 14,6 ичні 90° 0,04 мінімізо 100 2500 215 37,5 2020 15,4 вані 90° 0,04 ручні 100 2500 210 38,9 2100 16,2 90° 0,045 автомат 100 2222 190 33,9 1850 13,6 ичні 90° 0,045 мінімізо 100 2222 185 35,2 1920 14,3 вані 90° 0,045 ручні 100 2222 180 36,8 2000 15,1 90° 0,05 автомат 100 2000 165 31,8 1750 12,6 ичні 90° 0,05 мінімізо 100 2000 160 33,1 1820 13,3 вані 90° 0,05 ручні 100 2000 155 34,6 1900 14,0 72 Висновки до розділу 3 У третьому розділі магістерської роботи проведено експериментальне дослідження впливу ключових параметрів фотополімерного 3D-друку на геометричну точність, механічну міцність та тривалість виготовлення деталей. Експеримент реалізовано відповідно до розробленої методики з використанням повного факторного плану, що забезпечило системний аналіз як індивідуального, так і сумісного впливу орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок. У ході дослідження виготовлено серії зразків за однакових умов друку та постобробки, що дозволило мінімізувати вплив сторонніх факторів на результати експерименту. Отримано масив експериментальних даних, який включає результати вимірювань геометричної точності, механічних випробувань та тривалості виготовлення деталей для всіх експериментальних комбінацій параметрів друку. Проведені експериментальні дослідження підтвердили наявність істотного впливу досліджуваних параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики виробів. Отримані результати створюють основу для подальшого статистичного аналізу, встановлення кількісних залежностей та виявлення оптимальних поєднань параметрів друку з урахуванням вимог до точності, міцності та продуктивності процесу. Таким чином, третій розділ забезпечує експериментальне підтвердження теоретичних положень, сформульованих у попередніх розділах, і формує інформаційну базу для розробки практичних рекомендацій щодо оптимізації параметрів фотополімерного 3D-друку, які будуть представлені у завершальній частині магістерської роботи. [2, 3, 25, 26, 27, 28] 73 РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ ФОТОПОЛІМЕРНОГО 3D-ДРУКУ 74 4.1. Загальна характеристика отриманих експериментальних даних У результаті проведення повного факторного експерименту було отримано репрезентативний масив експериментальних даних, що відображає залежність геометричної точності, механічної міцності та тривалості виготовлення деталей від основних параметрів фотополімерного 3D-друку. Дослідження охоплює всі можливі комбінації керованих факторів — орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок — у межах обраного плану експерименту. Експериментальні дані сформовано на основі результатів вимірювань і випробувань зразків, виготовлених за ідентичних умов друку та постобробки. Для кожної експериментальної комбінації параметрів виконувалося декілька повторень, що дозволило зменшити вплив випадкових похибок та забезпечити достатній рівень надійності отриманих результатів. Такий підхід створює передумови для коректного порівняння даних між окремими серіями зразків. Для кожної комбінації факторів були визначені середні значення досліджуваних показників, зокрема абсолютні та відносні відхилення лінійних розмірів, показники механічної міцності та загальний час виготовлення деталей. Окрім цього, розраховано показники розсіювання результатів, що дозволяє оцінити стабільність процесу фотополімерного 3D-друку та відтворюваність експерименту. Аналіз розсіювання є важливим для виявлення можливих нестабільностей процесу та оцінки впливу неконтрольованих факторів. Отриманий масив експериментальних даних має впорядковану структуру, що забезпечує можливість його подальшої статистичної обробки із застосуванням методів дисперсійного та регресійного аналізу. Наявність повного набору даних для всіх комбінацій факторів дозволяє оцінити як індивідуальний вплив кожного параметра фотополімерного 3D-друку, так і їх сумісну дію на експлуатаційні характеристики деталей. 75 4.2. Статистичний аналіз впливу параметрів друку 4.2.1. Дисперсійний аналіз (ANOVA) Для визначення статистичної значущості впливу параметрів фотополімерного 3D-друку на експлуатаційні характеристики деталей у даній роботі було застосовано метод дисперсійного аналізу (ANOVA). Даний метод дозволяє оцінити, наскільки зміна кожного з керованих факторів, а також їх взаємодія, впливає на варіацію вихідних показників якості у порівнянні з випадковими похибками експерименту. У рамках дисперсійного аналізу розглядалися такі фактори: орієнтація деталі у робочому просторі 3D-принтера; товщина шару друку; конфігурація підтримок; взаємодія між окремими факторами. ANOVA проводився окремо для кожного з вихідних показників якості, зокрема геометричної точності, механічної міцності та тривалості виготовлення деталей. Для оцінки статистичної значущості використовувалися значення F-критерію та відповідні рівні значущості, що дозволило встановити фактори, вплив яких є суттєвим з точки зору статистики. За результатами дисперсійного аналізу встановлено, що товщина шару друку має найбільш значущий вплив на геометричну точність фотополімерних деталей. Зменшення товщини шару призводить до зниження відхилень лінійних розмірів та покращення відтворення криволінійних поверхонь, що підтверджує теоретичні положення, наведені у другому розділі роботи. Вплив інших факторів на точність також був виявлений, проте він має менш виражений характер. 76 Аналіз механічних характеристик показав, що орієнтація деталі є визначальним фактором, який суттєво впливає на механічну міцність виробів. Це зумовлено анізотропією фотополімерних матеріалів та різною міцністю міжшарових з’єднань залежно від напрямку прикладеного навантаження. Результати ANOVA підтверджують, що вибір орієнтації друку має ключове значення для функціональних деталей, які працюють під механічним навантаженням. Конфігурація підтримок виявилася найбільш значущим фактором з точки зору якості поверхні та тривалості постобробки. Збільшення кількості підтримок і площі їх контакту з деталлю призводить до погіршення стану поверхні у місцях кріплення та збільшення часу, необхідного для їх видалення і доведення виробів до готового стану. Водночас надмірна мінімізація підтримок може негативно впливати на стабільність процесу друку, що також відображається у результатах аналізу. Аналіз взаємодії факторів показав, що у ряді випадків сумісний вплив параметрів є статистично значущим. Зокрема, взаємодія товщини шару та орієнтації деталі може призводити до посилення або ослаблення ефекту анізотропії механічних властивостей, а поєднання орієнтації та конфігурації підтримок впливає на якість поверхні та потребу у постобробці. Таблиця 4.1 Узагальнені результати дисперсійного аналізу ANOVA Джерело варіації SS df MS F p-value Орієнтація (A) 842,6 2 421,3 96,4 < 0,001 Товщина шару (B) 214,8 2 107,4 24,6 < 0,001 Тип підтримок (C) 96,1 2 48,0 11,0 0,002 A × B 52,7 4 13,2 3,0 0,041 A × C 38,4 4 9,6 2,2 0,089 B × C 21,9 4 5,5 1,3 0,31 77 Похибка 52,4 12 4,37 — — Разом 1318,9 26 — — — В таблиці 4.1 можна побачити наступні тенденції: Орієнтація зразка має найбільший статистично значущий вплив. Товщина шару та тип підтримок також є значущими факторами. Взаємодія орієнтація × товщина шару статистично значуща. Інші взаємодії мають другорядний вплив. 78 4.2.2. Кореляційний аналіз Кореляційний аналіз дозволив виявити характер зв’язку між параметрами друку та показниками якості. Встановлено: Тип підтримок впливає на механічні властивості готових зразків. Використання ручних підтримок дозволяє мінімізувати дефекти в зоні прикладання навантаження, що позитивно впливає на межу міцності при розтягу. Графік залежності зображено на рисунку 4.1 Рис. 4.1 Вплив типу підтримок на міцність моделі 79 Збільшення товщини шару призводить до зниження межі міцності при розтягу, що пов’язано зі зменшенням площі міжшарового контакту та погіршенням адгезійних властивостей фотополімеру. Графік залежності зображено на рисунку 4.2 Рис. 4.2 Вплив товщини шару на міцність моделі 80 Зі збільшенням кута орієнтації зразка відносно платформи друку спостерігається суттєве зменшення межі міцності при розтягу, що пояснюється зростанням впливу міжшарової адгезії на процес руйнування. Графік залежності зображено на рисунку 4.3 Рис 4.3 Вплив орієнтації зразка на міцність готової деталі 81 4.3. Оптимізація параметрів фотополімерного 3D-друку Оптимізація параметрів фотополімерного 3D-друку у межах даного дослідження здійснювалася із застосуванням багатокритеріального підходу, що дозволяє одночасно враховувати декілька, часто суперечливих, показників якості. Такий підхід є доцільним для адитивних технологій, оскільки покращення одного параметра процесу зазвичай супроводжується погіршенням іншого, зокрема між точністю виготовлення та продуктивністю. У якості основних критеріїв оптимізації було обрано: мінімізацію геометричних відхилень, яка забезпечує відповідність надрукованих деталей заданій геометрії та є критичною для функціональних і з’єднувальних елементів; максимізацію механічної міцності, що визначає надійність деталей при експлуатаційних навантаженнях та враховує вплив анізотропії фотополімерних матеріалів; мінімізацію тривалості виготовлення, яка характеризує продуктивність процесу та має важливе значення з точки зору економічної доцільності використання фотополімерного 3D-друку. Оптимізація проводилася на основі результатів статистичного аналізу експериментальних даних, зокрема дисперсійного та регресійного аналізу. Для кожної комбінації параметрів оцінювалися значення вихідних показників, після чого здійснювалося порівняння альтернативних режимів друку з урахуванням обраних критеріїв. Особлива увага приділялася пошуку таких режимів, за яких досягається прийнятний рівень усіх показників без критичного погіршення будь-якого з них. У результаті багатокритеріального аналізу було визначено оптимальні області параметрів фотополімерного 3D-друку, які забезпечують компроміс між високою геометричною точністю, достатньою механічною міцністю та помірною тривалістю виготовлення деталей. Зокрема встановлено, що 82 використання надмірно малих товщин шару, хоча й покращує точність поверхні, є недоцільним з точки зору продуктивності, тоді як збільшення товщини шару понад певне значення призводить до суттєвого погіршення точності та механічних властивостей. Аналогічно показано, що вибір орієнтації деталі повинен здійснюватися з урахуванням умов навантаження виробу та допустимого обсягу підтримок. Раціональна конфігурація підтримок дозволяє зменшити час постобробки та покращити якість поверхні без втрати стабільності процесу друку. 83 4.5. Розробка практичних рекомендацій На основі результатів експериментальних досліджень, статистичного аналізу та проведеної оптимізації параметрів фотополімерного 3D-друку сформульовано комплекс практичних рекомендацій, спрямованих на підвищення якості та ефективності виготовлення деталей залежно від пріоритетних вимог до виробів. Для деталей з підвищеними вимогами до механічної міцності доцільно обирати таку орієнтацію друку, за якої напрям основного експлуатаційного навантаження максимально співпадає з напрямком формування шарів. Це дозволяє зменшити негативний вплив міжшарової анізотропії та підвищити опір деталей розтягувальним і згинальним навантаженням. Особливо важливим даний підхід є для функціональних елементів, що працюють у відповідальних вузлах або зазнають циклічних навантажень. Для виготовлення деталей з високими вимогами до геометричної точності та якості поверхні рекомендовано використовувати товщину шару в межах 0,025–0,05 мм. Такий діапазон товщин шару забезпечує зменшення ефекту сходинок, покращене відтворення криволінійних поверхонь і стабільні розмірні характеристики деталей. Зазначені параметри є доцільними для виробів із складною геометрією, посадочних елементів і деталей, що потребують мінімальної постобробки. Конфігурацію підтримок слід мінімізувати з урахуванням збереження стійкості деталі під час друку. Раціональне розташування підтримок дозволяє зменшити витрати матеріалу, скоротити тривалість друку та постобробки, а також покращити якість поверхні у зонах контакту. За можливості рекомендується використовувати оптимізовані або ручні конфігурації підтримок для критичних поверхонь, зберігаючи при цьому стабільність процесу фотополімерного 3D-друку. Для процесів прототипування, де пріоритетом є швидкість виготовлення та попередня оцінка форми виробу, допускається збільшення товщини шару 84 до 0,1 мм. Такий режим дозволяє суттєво скоротити час виготовлення деталей при прийнятному рівні точності та механічних властивостей, що є доцільним на ранніх етапах проєктування або для виготовлення допоміжних елементів. Проте в першу чергу важливо опиратись на технічні характеристики принтера, оскільки лише декілька моделей на ринку підтримують збільшення товщини шару до 0.1 мм. 85 4.6. Обмеження дослідження та напрями подальших робіт Незважаючи на отримані результати та сформульовані практичні рекомендації, слід зазначити, що проведене дослідження має низку обмежень, які необхідно враховувати при інтерпретації отриманих висновків та їх практичному застосуванні. По-перше, результати дослідження обмежуються використанням конкретного типу фотополімерного матеріалу, що має визначений хімічний склад і механічні властивості. Відомо, що різні типи фотополімерних смол можуть суттєво відрізнятися за показниками міцності, жорсткості, усадки та чутливості до режимів експонування. Тому отримані залежності не можуть бути безпосередньо узагальнені на всі види фотополімерних матеріалів без проведення додаткових досліджень. По-друге, дослідження виконувалося із застосуванням конкретного типу фотополімерного 3D-принтера, що визначає особливості процесу друку, зокрема характеристики джерела світлового випромінювання, точність механіки та алгоритми керування. Використання іншого обладнання може призводити до відмінностей у результатах навіть за однакових параметрів друку, що також обмежує універсальність отриманих висновків. По-третє, у межах даної роботи не проводилися довготривалі випробування на старіння матеріалу, зокрема дослідження впливу часу, температури, вологості та ультрафіолетового опромінення на зміну механічних і геометричних характеристик фотополімерних деталей. Відсутність таких випробувань не дозволяє повною мірою оцінити експлуатаційну надійність виробів у довгостроковій перспективі. З урахуванням зазначених обмежень подальші дослідження доцільно спрямувати на розширення номенклатури використовуваних фотополімерних матеріалів, включаючи інженерні, еластичні та термостійкі смоли. Перспективним напрямом є також аналіз впливу температурних режимів друку та постобробки, а також дослідження комбінованих параметрів 86 постобробки, зокрема різних режимів ультрафіолетового дозатвердіння та термічної обробки. Крім того, подальші роботи можуть бути спрямовані на дослідження впливу додаткових факторів, таких як шорсткість поверхні, внутрішня структура виробів та вплив складних навантажень, а також на розробку узагальнених моделей оптимізації параметрів фотополімерного 3D-друку для різних умов застосування. 87 Висновки до розділу 4 У четвертому розділі магістерської роботи виконано комплексний аналіз результатів експериментальних досліджень, отриманих у процесі фотополімерного 3D-друку. На основі сформованого масиву експериментальних даних проведено статистичну обробку результатів із застосуванням методів дисперсійного аналізу та побудови регресійних моделей, що дозволило кількісно оцінити вплив основних параметрів друку на експлуатаційні характеристики деталей. За результатами дисперсійного аналізу визначено статистично значущі фактори, які найбільше впливають на геометричну точність, механічну міцність та тривалість виготовлення фотополімерних виробів. Побудовані регресійні моделі дали змогу встановити характер залежностей між параметрами фотополімерного 3D-друку та вихідними показниками якості, а також здійснювати прогнозування властивостей деталей при зміні технологічних режимів. На основі проведеного багатокритеріального аналізу виконано оптимізацію параметрів фотополімерного 3D-друку та визначено оптимальні області їх значень, які забезпечують компроміс між високою якістю виготовлення та ефективністю технологічного процесу. Отримані результати дозволили сформулювати практичні рекомендації щодо вибору орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок залежно від функціонального призначення деталей. [31, 32, 33, 34, 35, 45] 88 РОЗДІЛ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ПРИ ФОТОПОЛІМЕРНОМУ 3D-ДРУЦІ 89 5.1. Загальна характеристика умов праці Процес фотополімерного 3D-друку належить до робіт, що виконуються з використанням електротехнічного обладнання, хімічних речовин та джерел ультрафіолетового випромінювання. У зв’язку з цим умови праці оператора фотополімерного 3D-принтера повинні відповідати чинним вимогам охорони праці, санітарно-гігієнічним нормам та правилам безпеки під час роботи з електрообладнанням і хімічними матеріалами. Робоче місце оператора 3D-принтера зазвичай розташовується у приміщенні лабораторного або виробничого типу та включає фотополімерний 3D-принтер, допоміжне обладнання для постобробки виробів, засоби вимірювання, а також ємності для зберігання фотополімерних смол і розчинників. Приміщення повинно бути обладнане ефективною системою вентиляції, достатнім рівнем освітлення та відповідати вимогам електробезпеки. Основні небезпечні та шкідливі виробничі фактори при фотополімерному 3D-друці зумовлені специфікою використовуваних матеріалів і технологічного процесу. До них належать: контакт зі світлочутливими фотополімерними смолами, які у рідкому стані можуть чинити подразнювальну або алергічну дію на шкіру та слизові оболонки, а при порушенні правил поводження — становити ризик для здоров’я оператора; вплив ультрафіолетового випромінювання, що використовується для полімеризації смол, яке при відсутності належного екранування або порушенні правил експлуатації обладнання може негативно впливати на органи зору та шкіру; випаровування летких органічних сполук, що утворюються під час роботи з фотополімерними матеріалами та в процесі постобробки виробів, зокрема під час промивання зразків, і можуть викликати подразнення дихальних шляхів або загальне погіршення самопочуття; 90 електричні ризики, пов’язані з експлуатацією електрообладнання, зокрема 3D-принтера, ультрафіолетових камер для дозатвердіння та допоміжних пристроїв, що потребують дотримання вимог електробезпеки та справності заземлення; механічні ризики, які виникають під час видалення підтримок, обробки гострих країв виробів або використання ручного інструменту, та можуть призводити до порізів або інших травм. 91 5.2. Вимоги безпеки при роботі з фотополімерними матеріалами Фотополімерні смоли, що застосовуються у процесі 3D-друку, у рідкому стані можуть чинити подразнювальну або сенсибілізуючу дію на шкіру та слизові оболонки людини. У деяких випадках тривалий або повторний контакт зі смолами здатний призводити до розвитку алергічних реакцій. У зв’язку з цим робота з фотополімерними матеріалами повинна здійснюватися з дотриманням установлених вимог безпеки та правил поводження з хімічними речовинами. Під час виконання операцій, пов’язаних із заливанням смоли, вилученням зразків після друку та проведенням постобробки, оператор зобов’язаний використовувати засоби індивідуального захисту. Обов’язковим є застосування захисних рукавичок з нітрилу, які забезпечують стійкість до дії фотополімерних матеріалів та запобігають їх проникненню на шкіру. Використання латексних рукавичок не рекомендується через їхню нижчу хімічну стійкість. Для захисту органів зору необхідно застосовувати захисні окуляри, які запобігають потраплянню бризок фотополімерної смоли або мийних розчинів на слизову оболонку очей. За наявності ризику утворення аерозолів або випарів рекомендується також використання засобів захисту органів дихання відповідно до характеру виконуваних робіт. У процесі роботи слід уникати прямого контакту фотополімерної смоли зі шкірою, не торкатися забруднених поверхонь відкритими ділянками тіла та негайно видаляти забруднені рукавички або інші засоби захисту. Робоча зона повинна утримуватися в чистоті, а всі ємності зі смолою — бути щільно закритими у перервах між операціями. З метою запобігання потраплянню шкідливих речовин в організм категорично забороняється прийом їжі, напоїв та куріння у робочій зоні, де виконуються операції з фотополімерними матеріалами. Після завершення робіт оператор повинен ретельно вимити руки з використанням води та мила. 92 У разі потрапляння фотополімерної смоли на шкіру її необхідно негайно змити великою кількістю води з милом, не використовуючи розчинники або абразивні засоби. При потраплянні смоли в очі слід негайно промити їх чистою водою та звернутися за медичною допомогою. Усі випадки контакту зі смолами, що призвели до подразнення або погіршення самопочуття, повинні фіксуватися та аналізуватися з метою запобігання повторенню. Таким чином, дотримання вимог безпеки при роботі з фотополімерними матеріалами є обов’язковою умовою забезпечення безпечних умов праці та збереження здоров’я персоналу. Виконання наведених заходів дозволяє суттєво знизити професійні ризики та забезпечити безпечну експлуатацію фотополімерного 3D-обладнання. 93 5.3. Захист від ультрафіолетового випромінювання У процесі фотополімерного 3D-друку джерела ультрафіолетового випромінювання використовуються для ініціювання та підтримання реакції полімеризації фоточутливих смол. Ультрафіолетове випромінювання належить до фізичних шкідливих факторів, тривалий або неконтрольований вплив яких може негативно позначатися на стані здоров’я людини, зокрема на органах зору та шкірі. Надмірний вплив ультрафіолетового випромінювання може призводити до подразнення очей, запалення рогівки, тимчасового або хронічного погіршення зору, а також до ушкодження шкірних покривів. Особливу небезпеку становить пряме або відбите випромінювання від відкритих джерел ультрафіолету, що використовується у фотополімерних 3D-принтерах та камерах для додаткового дозатвердіння виробів. З метою забезпечення безпеки персоналу при роботі з фотополімерним обладнанням необхідно дотримуватися комплексу організаційних і технічних заходів захисту. Насамперед слід використовувати 3D-принтери із закритими захисними корпусами, які запобігають виходу ультрафіолетового випромінювання за межі робочої зони під час друку. Захисні кожухи та екрани повинні бути виготовлені з матеріалів, що ефективно поглинають або блокують ультрафіолетове випромінювання. Під час експлуатації обладнання забороняється дивитися безпосередньо на джерело ультрафіолетового випромінювання, особливо при відкритих кришках принтера або під час роботи ультрафіолетових камер для дозасвічування. Усі операції, що потребують доступу до робочої зони, повинні виконуватися лише після повного вимкнення джерел випромінювання. При роботі з ультрафіолетовими камерами для додаткового дозатвердіння виробів оператор зобов’язаний застосовувати захисні окуляри, призначені для захисту від ультрафіолетового випромінювання. За 94 необхідності допускається використання додаткових засобів індивідуального захисту шкіри, зокрема захисного одягу з довгими рукавами. 95 5.4. Вимоги до робочого місця та вентиляції Робоче приміщення, у якому здійснюється фотополімерний 3D-друк та постобробка виробів, повинно відповідати санітарно-гігієнічним вимогам та бути обладнане ефективною системою припливно-витяжної вентиляції. Основним призначенням вентиляції є видалення парів фотополімерних матеріалів та ізопропілового спирту, що утворюються під час друку та очищення зразків, а також забезпечення нормативного повітрообміну у робочій зоні. Система вентиляції повинна забезпечувати постійний приплив свіжого повітря та відведення забрудненого повітря без утворення застійних зон. За можливості рекомендується локальне відсмоктування повітря безпосередньо з робочої зони 3D-принтера та ділянок постобробки виробів, що дозволяє зменшити концентрацію шкідливих парів у повітрі приміщення. Мікроклімат робочого приміщення має підтримуватися у межах рекомендованих значень, які забезпечують безпечні та комфортні умови праці оператора, а також стабільність процесу фотополімерного друку. Рекомендованими умовами є: температура повітря в межах 18–25 °C, що запобігає надмірному випаровуванню фотополімерів і забезпечує стабільні властивості матеріалів; відносна вологість повітря 40–60%, що знижує ризик накопичення статичної електрики та негативного впливу на електронні компоненти обладнання; достатнє природне та штучне освітлення, яке забезпечує безпечне виконання операцій, точність маніпуляцій та зменшує зорове навантаження на оператора. Робоче місце оператора 3D-принтера повинно бути організоване з урахуванням ергономічних вимог та особливостей виконуваних робіт. Робоча 96 поверхня столів і тумб повинна мати хімічно стійке покриття, стійке до дії фотополімерних смол, ізопропілового спирту та інших допоміжних речовин, а також легко піддаватися очищенню. Усі ємності з фотополімерними матеріалами, розчинниками та відходами повинні зберігатися у щільно закритому стані та розміщуватися у спеціально відведених місцях. Робоча зона має бути вільною від сторонніх предметів, а проходи — забезпечувати безпечне пересування персоналу та швидкий доступ до обладнання у разі необхідності. 97 5.5. Електробезпека та пожежна безпека Фотополімерні 3D-принтери та допоміжне обладнання (ультрафіолетові камери для дозатвердіння, ультразвукові ванни, вентиляційні системи) працюють від електричної мережі, що зумовлює необхідність суворого дотримання вимог електробезпеки. Порушення правил експлуатації електрообладнання може призвести до ураження електричним струмом, виходу обладнання з ладу або виникнення пожежонебезпечних ситуацій. Для забезпечення електробезпеки під час експлуатації фотополімерного 3D-обладнання необхідно дотримуватися таких вимог: використання заземлених розеток та справних електричних мереж, що відповідають номінальним параметрам споживання обладнання; заборона експлуатації обладнання з пошкодженими кабелями, вилками або елементами живлення, а також із порушеною ізоляцією проводів; відключення обладнання від електричної мережі перед проведенням технічного обслуговування, очищення або ремонту, а також у разі тривалої перерви в роботі; недопущення потрапляння фотополімерних матеріалів, рідин або мийних засобів на електричні елементи обладнання. Пожежна безпека при фотополімерному 3D-друці зумовлена використанням легкозаймистих речовин, зокрема ізопропілового спирту, що застосовується для промивання зразків, а також деяких фотополімерних смол. Накопичення парів цих речовин у поєднанні з електрообладнанням може створювати пожежонебезпечні умови. З метою забезпечення пожежної безпеки у робочій зоні необхідно: зберігати фотополімерні смоли та ізопропіловий спирт у щільно закритих ємностях, подалі від джерел тепла та відкритого полум’я; не допускати використання відкритого вогню та іскроутворювальних пристроїв у приміщенні, де виконується фотополімерний 3D-друк; 98 забезпечити наявність первинних засобів пожежогасіння, зокрема вогнегасників, придатних для гасіння пожеж класів, пов’язаних з електрообладнанням і легкозаймистими рідинами; забезпечити вільний доступ до засобів пожежогасіння та шляхів евакуації. Усі працівники, які залучені до роботи з фотополімерним 3D- обладнанням, повинні бути проінструктовані щодо правил електробезпеки та пожежної безпеки, а також порядку дій у разі виникнення аварійної ситуації або пожежі. 99 5.6. Екологічна безпека та утилізація відходів Процес фотополімерного 3D-друку супроводжується утворенням відходів, які за відсутності належного поводження можуть чинити негативний вплив на навколишнє середовище та здоров’я людини. У зв’язку з цим екологічна безпека є важливою складовою організації робіт з фотополімерного 3D-друку та постобробки виробів. До основних відходів фотополімерного друку належать залишки фотополімерної смоли, що не були використані в процесі виготовлення виробів, використані серветки, фільтри та допоміжні матеріали, забруднені фотополімером або мийними розчинами, а також зруйновані або браковані зразки, що не відповідають вимогам якості. У рідкому або частково затверділому стані фотополімерні матеріали можуть містити токсичні компоненти, тому потребують спеціального поводження. Перед утилізацією всі фотополімерні відходи повинні бути повністю полімеризовані під дією ультрафіолетового випромінювання. Повна полімеризація переводить фотополімер з хімічно активного стану у стабільну твердну форму, що значно знижує його токсичність та екологічну небезпеку. Для цього відходи розміщують у спеціальних ємностях та піддають ультрафіолетовому опроміненню протягом часу, достатнього для завершення реакції полімеризації. Після повної полімеризації тверді фотополімерні відходи можуть утилізуватися відповідно до вимог чинного місцевого законодавства як побутові або промислові відходи, залежно від їх кількості та складу. Забороняється злив рідких фотополімерних матеріалів або мийних розчинів у каналізацію чи ґрунт без попередньої обробки, оскільки це може призвести до забруднення довкілля. Використані серветки, фільтри та інші допоміжні матеріали, забруднені фотополімерною смолою або ізопропіловим спиртом, повинні збиратися у спеціально марковані контейнери та піддаватися полімеризації або іншій 100 дозволеній формі знешкодження перед утилізацією. Зберігання відходів повинно здійснюватися у щільно закритих ємностях у спеціально відведених місцях. 101 Висновки до розділу 5 У п’ятому розділі магістерської роботи розглянуто умови праці при виконанні робіт з фотополімерного 3D-друку та проаналізовано основні небезпечні й шкідливі виробничі фактори, характерні для даного технологічного процесу. Особливу увагу приділено ризикам, пов’язаним з використанням фотополімерних матеріалів, джерел ультрафіолетового випромінювання, електрообладнання, а також із застосуванням легкозаймистих речовин у процесі постобробки виробів. На основі проведеного аналізу розроблено комплекс організаційних, технічних та індивідуальних заходів з охорони праці, спрямованих на забезпечення безпечних умов роботи оператора фотополімерного 3D- принтера. Запропоновані заходи включають вимоги до використання засобів індивідуального захисту, організації робочого місця, вентиляції, електробезпеки та пожежної безпеки, а також правила захисту від ультрафіолетового випромінювання. Окремо розглянуто питання екологічної безпеки та поводження з відходами фотополімерного 3D-друку. Визначено порядок знешкодження та утилізації фотополімерних матеріалів, що дозволяє мінімізувати негативний вплив технологічного процесу на навколишнє середовище та забезпечити відповідність вимогам чинного екологічного законодавства. Таким чином, п’ятий розділ забезпечує нормативно обґрунтовану основу для безпечної та екологічно відповідальної експлуатації фотополімерних адитивних технологій. Запропоновані заходи сприяють зниженню професійних ризиків, захисту здоров’я персоналу та зменшенню негативного впливу фотополімерного 3D-друку на довкілля. [36, 37, 38, 39, 40] 102 ВИСНОВКИ У магістерській кваліфікаційній роботі виконано комплексне дослідження впливу орієнтації друку, товщини шару та конфігурації підтримок на геометричну точність, механічну міцність і тривалість виготовлення деталей, отриманих методом фотополімерного 3D-друку. На основі аналізу сучасних теоретичних положень, проведених експериментальних досліджень та статистичної обробки результатів отримано такі основні висновки: 1. Проаналізовано сучасний стан розвитку фотополімерних адитивних технологій та встановлено, що якість деталей, виготовлених методом фотополімерного 3D-друку, значною мірою визначається параметрами підготовки та виконання технологічного процесу. Зокрема, вирішальний вплив мають орієнтація моделі у робочому просторі принтера, товщина шару та конфігурація підтримок, вибір яких безпосередньо впливає на точність, міцність і продуктивність виготовлення виробів. 2. Розроблено методику комплексного експериментального дослідження, що базується на використанні повного багатофакторного плану експерименту та статистичних методів обробки результатів. Запропонована методика забезпечує достовірність, відтворюваність і об’єктивність отриманих експериментальних даних, а також дозволяє оцінювати як індивідуальний, так і сумісний вплив досліджуваних параметрів фотополімерного 3D-друку. 3. Експериментально встановлено, що зменшення товщини шару фотополімерного 3D-друку сприяє підвищенню геометричної точності деталей та покращенню якості поверхні за рахунок зменшення ефекту сходинок. Водночас зменшення товщини шару призводить до суттєвого збільшення тривалості виготовлення деталей, що зумовлює необхідність пошуку компромісу між точністю та продуктивністю процесу. 103 4. Виявлено, що орієнтація деталі у робочому просторі 3D-принтера має визначальний вплив на механічну міцність виробів, що пов’язано з анізотропією фотополімерних матеріалів, зумовленою пошаровим формуванням структури. Найвищі показники міцності спостерігаються при такій орієнтації, за якої основне експлуатаційне навантаження прикладене вздовж напрямку формування шарів. 5. Встановлено, що конфігурація підтримок істотно впливає на якість поверхні деталей та тривалість постобробки. Надмірна кількість підтримок призводить до погіршення стану поверхні у місцях контакту та збільшення витрат часу і матеріалу, тоді як недостатня кількість підтримок може спричиняти деформації або дефекти друку та зниження стабільності процесу. 6. За допомогою методів дисперсійного та кореляційного аналізів визначено статистично значущі фактори, що впливають на основні показники якості фотополімерних деталей. Побудовані регресійні моделі дозволяють кількісно описувати залежності між параметрами фотополімерного 3D-друку та експлуатаційними характеристиками виробів, а також здійснювати прогнозування їх властивостей. 7. На основі результатів дослідження розроблено практичні рекомендації щодо вибору параметрів фотополімерного 3D-друку, які забезпечують оптимальне співвідношення між геометричною точністю, механічною міцністю та тривалістю виготовлення деталей залежно від їх функціонального призначення. 8. Отримані результати мають прикладну цінність і можуть бути використані в інженерній та прототипній практиці, а також у навчальному процесі при вивченні адитивних технологій та сучасних методів виготовлення деталей. 104 Таким чином, поставлену у магістерській кваліфікаційній роботі мету досягнуто, а всі завдання виконано у повному обсязі. Отримані результати підтверджують доцільність комплексного підходу до вибору параметрів фотополімерного 3D-друку та створюють науково обґрунтовану основу для подальшого розвитку досліджень у цій галузі. 105 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. ISO/ASTM 52900:2021. Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary — 1.1 2. ASTM D638-14. Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics — 3.7 3. ISO 527-1:2019. Plastics — Determination of tensile properties — Part 1: General principles — 3.7 4. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. – Springer, 2021 — 1.1 5. Ngo T. D. et al. Additive manufacturing: A review of materials, methods, applications and challenges — 1.1 6. Chua C. K., Leong K. F., Lim C. S. Rapid Prototyping: Principles and Applications — 1.2 7. Tumbleston J. R. et al. Continuous liquid interface production of 3D objects — 1.2 8. Formlabs. SLA 3D Printing White Paper — 1.2 9. Zhang Y., Chou K. N. Quality control and defects in polymer 3D printing — 1.4 10. Melchels F. P. W. et al. Review on stereolithography in biomedical engineering — 1.3 11. Pham D. T., Dimov S. S. Rapid Manufacturing — 1.1 12. Wang X. et al. 3D printing of polymer matrix composites — 1.3 13. Chen Z. et al. Effect of build orientation on mechanical properties of SLA printed parts — 1.5 14. Pagac M. et al. Review of vat photopolymerization technology — 1.2 15.Zhang J., Xiao P. 3D printing of photopolymers — 1.3 16.Jacobs P. F. Stereolithography and Other RP&M Technologies — 1.2 17.Dizon J. R. C. et al. Mechanical characterization of 3D-printed polymers — 1.5 106 18. Huang Y. et al. Additive manufacturing: current state and future potential — 1.1 19. Wang W. et al. Influence of process parameters on surface roughness in SLA — 1.6 20. Hull C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography — 1.2 21. Montgomery D. C. Design and Analysis of Experiments — 2.6 22.Box G. E. P., Hunter J. S. Statistics for experimenters — 2.6 23.ISO 2768-1:1989. General tolerances — 2.5 24.ISO 4287:1997. Surface texture: Profile method — 2.5 25.ISO 7500-1:2018. Verification of testing machines — 3.7 26.ASTM D695-15. Compressive properties of rigid plastics — 3.7 27.ASTM D790-17. Flexural properties of plastics — 3.7 28.Anycubic. Photopolymer Resin Technical Data Sheet — 3.2 29.Prusa Research. SLA Printing Handbook — 3.5 30. Autodesk. Design for Additive Manufacturing Guide — 2.4 31. Myers R. H., Montgomery D. C. Response Surface Methodology — 4.4 32.Kutner M. et al. Applied Linear Statistical Models — 4.3 33.Draper N., Smith H. Applied Regression Analysis — 4.3 34.Dean A., Voss D. Design and Analysis of Experiments — 4.2 35. ISO 5725-1:1994. Accuracy (trueness and precision) of measurement methods — 4.1 36. ISO 45001:2018. Occupational health and safety management systems — 5.5 37.ISO 14001:2015. Environmental management systems — 5.6 38.OSHA. Chemical Hazards and Toxic Substances — 5.2 39.Formlabs. Resin Safety Data Sheet (SDS) — 5.2 40.EU Directive 2006/25/EC. Artificial optical radiation — 5.3 41.Gibson I. Design for additive manufacturing — 1.4 42.Kruth J. P. et al. Progress in additive manufacturing — 1.1 43. Sun C. et al. Projection micro-stereolithography — 1.2 107 44. Goodridge R. D. et al. Polymer additive manufacturing processes — 1.1 45.ISO 9001:2015. Quality management systems — 4.5 108