Кейсы применения 3D-принтеров Formlabs в образовании

Всем привет! С вами Top 3D Shop и в очередном обзоре мы рассказываем о применении 3D-принтеров Formlabs в образовании. В том числе моделей Formlabs Form 2, Form 3, Form 3B, Form 3L.

Содержание:

• Центр инноваций EPIC в Бостонском университете 
• 3D-центр Земмельвайса (SE3D) в Университете Земмельвайса в Будапеште 
• Технологический институт Карлсруэ (KIT)
• Плюсы и минусы 3D-принтеров Formlabs для образования и исследований

Центр инноваций EPIC в Бостонском университете 

В лаборатории EPIC Бостонского университета установлено десять принтеров Formlabs.

Центр инноваций инженерных продуктов (EPIC) в Бостонском университете занимает около 1400 квадратных метров, на которых расположено большое количество оборудования, в том числе — станков с ЧПУ, 3D-принтеров и робототехники. Цель существования EPIC — дать студентам практические навыки в проектировании, разработке и производстве.

Доктор Анна Торнтон, профессор практики машиностроения и директор EPIC, говорит, что студенты и преподаватели могут использовать 3D-принтеры и другое производственное оборудование на объекте EPIC четырьмя основными способами.

1. Курсовая работа: факультеты университета, от медицинского факультета до машиностроения, направляют студентов в EPIC для работы над практическими проектами в таких областях, как проектирование для производства (DFM), проверочные испытания и анализ затрат и результатов аутсорсинга и собственного производства. Для этого класса учащиеся часто используют 3D-принтеры Formlabs в лаборатории EPIC — для производства инструментов для собственного дизайна продукта.

2. Исследования: отдельные исследователи, научные сотрудники и студенты обкатывают в EPIC идеи тестовых деталей и приспособлений.

3. Клубы: от робототехники до ракет, студенческие клубы всегда находят практическое применение оборудованию EPIC. Студенческие гоночные команды, например, участвующие в Formula Student, производят и тестируют детали, работающие в реальных условиях.

4. Личные проекты: некоторые студенты приходят в EPIC, чтобы вырезать лазером подарки для членов семьи. Предпринимательский центр в кампусе помогает студентам превратить свои идеи в прототипы. 

Сотрудники EPIC печатают детали, запрошенные студентами, преподавателями и сотрудниками университета.

Штаб-квартира Formlabs находится всего в нескольких километрах вниз по дороге от университета. Некоторые студенты прошли стажировку и продолжили работать в Formlabs на постоянной основе.

У EPIC десять принтеров Formlabs. В основном лабораторном помещении установлено пять стереолитографических принтеров Form 2 (SLA) и два принтера Form 3 , а в пристройке к подвалу есть еще три принтера, которые используются для курсов повышения квалификации по аддитивному производству и курса робототехники. В кампусе есть дополнительные принтеры, на рабочих местах некоторых исследовательских групп, которые решили, что им нужен принтер в их собственной лаборатории.

В EPIC используется несколько видов фотополимерных смол, таких как Clear Resin, Grey Pro Resin и Durable Resin.

В лаборатории EPIC есть много материалов Formlabs. Студенты и сотрудники часто выбирают Formlabs вместо других 3D-принтеров, когда им нужны свойства, которые предлагает смола, например прозрачность.

Студенты и сотрудники, как правило, выбирают продукты Formlabs вместо других, когда им нужны детали с гладкой поверхностью, с минимальной последующей обработкой. Они часто создают прототипы функциональных деталей с помощью 3D-принтеров Formlabs, которые в конечном итоге будут обрабатываться на одном из нескольких фрезерных станков в лаборатории, или используют 3D-печать в создании форм или шаблонов для литья. 

Доктор Торнтон говорит, что студенты часто выбирают 3D-принтеры Formlabs, «когда им нужно протестировать концепцию продукта, или если геометрия их детали слишком сложна для традиционных методов изготовления».

Спрос на специалистов в области 3D-дизайна и 3D-печати растет с каждым годом в геометрической прогрессии. Благодаря таким программам, как LEAP, и традиционным курсам, таким как учебная программа по инженерии в BU, выпускники поступают на работу уже готовыми внести значимый вклад новыми способами, используя навыки, которые они приобрели в CAD, дизайне для аддитивного производства и оптимизации 3D-печати.

3D-центр Земмельвайса (SE3D) в Университете Земмельвайса в Будапеште 

Фотография команды 3D-центра Semmelweis (слева направо): д-р Ланьи Сабольч, д-р Даниэль Палкович, Габриэлла Содар, д-р Имре Дж. Барабас, д-р Даниэль Вег.

Лабораторные помещения и оборудование пользуются большим спросом в университетах по всему миру. Масштабы и персонал исследовательского проекта могут со временем расширяться, а выделенное пространство — нет. Исследовательским отделам часто приходится бороться за пространство, а дорогостоящее оборудование хранится под замком, чтобы не допустить его повреждения неподготовленными пользователями. Даже внутри отделов может возникнуть напряженность между исследователями, преподавателями и студентами. 

В Университете Земмельвайса в Будапеште группа исследователей, практиков и преподавателей, объединилась, чтобы разорвать этот порочный круг. Вместе эти специалисты создали 3D-центр Земмельвайса (SE3D) для поддержки факультетов медицины, стоматологии и фармакологии.

И в медицине, и в стоматологии 3D-технологии используются в повседневном лечении пациентов, и в обеих областях ведутся инновационные исследования. Центр SE3D предлагает платформу для сотрудничества исследователей и клиницистов.

Установленный в 3D-центре Form 3B изготавливает высококачественные детали и занимает мало места.

Form 3B «предлагает высококачественные детали в удобном и компактном корпусе».

В центре SE3D есть девять 3D-принтеров, среди них — три принтера Form 3B, и это число растет. Помимо принтеров Formlabs 3B SLA в центре используются принтеры FDM, для создания анатомических моделей и в образовательных целях.

Университет Земмельвайса обучает цифровым технологиям, которые позволяют использовать такие методы, как простая визуализация случаев и управляемая хирургия, модели которых представлены здесь.

3D-печать становится стандартом в медицине и стоматологии. Большинство стоматологических кабинетов и клиник используют в своей повседневной работе те или иные цифровые технологии. Чтобы подготовить студентов к оказанию превосходной помощи будущим пациентам, университетам необходимо вооружить их практическим опытом работы с технологиями.

Бесспорно, необходимо использовать возможности 3D-технологий в современном медицинском и стоматологическом образовании XXI века.

Технологический институт Карлсруэ (KIT)

Являясь исследовательским университетом Ассоциации Гельмгольца, Технологический институт Карлсруэ (KIT) ежегодно тысячам студентов места для исследований и разработок.

Ларс фон Дейн — научный сотрудник Института механики жидкости (ISTM). Исследователи ISTM обычно занимаются описанием, физической интерпретацией и оптимизацией природных и технических явлений потока. В частности, Ларс фон Дейн хотел бы внести свой вклад в понимание и прогнозирование турбулентных течений путем создания и анализа данных измерений с использованием аэродинамической трубы и 3D-печатных структур.

Поскольку такие измерения требуют высокой степени точности и воспроизводимости, большое значение при изготовлении имеет правильный материал. По этой причине Ларс фон Дейн протестировал стереолитографический (SLA) 3D-принтер Form 3L и печатные поверхности материалов Model V2 и Grey V4 и сравнил их со структурами поверхности, фрезерованными на станках с ЧПУ. 

В качестве тестовой структуры были выбраны так называемые риблеты. Эти линейные продольные канавки с острым концом идеально подходят для уменьшения поверхностного трения в турбулентных потоках.

Аэродинамические трубы используются в большом количестве исследовательских проектов для систематического изучения технических и природных потоков. Они предлагают воспроизводимые базовые условия, которые легко доступны метрологически. Известными примерами являются промышленные аэродинамические трубы для изучения аэродинамики автомобилей и самолетов.

Из-за в основном сложных условий потока, особенно в мобильности, объекты исследования часто абстрагируются, чтобы целенаправленно исследовать отдельные аспекты. Это также относится и к проекту Ларса фон Дейна. Помимо прочего, он занимается анализом отдельных структур для снижения трения при подвижности. 

Перед запуском исследовательского проекта необходимо было найти правильный производственный процесс и материал, используя тестовую структуру. Ларс фон Дейн выбрал продольные канавки, выровненные с основным потоком, известные как ребра. Эти структуры уже хорошо изучены, поэтому справочные значения достаточно доступны. Кроме того, изготовление заостренных структур представляет собой особую трудность при изготовлении, поскольку острые углы обычно трудно изготовить, но они особенно важны для уменьшения трения ребер.

Для получения данных измерений, которые можно использовать для исследований, необходимо оборудовать площадь 1,5 м х 0,3 м конструкциями, подлежащими исследованию в аэродинамической трубе. Кроме того, выбранный метод изготовления должен иметь постоянную точность по всей поверхности и быть в состоянии точно воспроизвести желаемую структуру поверхности.

Традиционное производство с использованием фрезерного станка с ЧПУ достигает своих пределов, когда речь идет о соблюдении этих требований к монтажному пространству и уровню детализации конструкций. 

«Я хотел бы изучить структуры, которые очень сложно изготовить с помощью процессов механической обработки», — говорит Ларс фон Дейн. 

Поиск подходящих производственных процессов, отвечающих критериям исследовательского проекта, привел к выбору SLA 3D-печати.

Ларс фон Дейн, научный сотрудник Технологического института Карлсруэ (KIT):

«С помощью 3D-печати SLA вы можете добиться очень высокой точности и отобразить очень мелкие детали. Для меня самой большой проблемой является создание высокоточных структур на большой поверхности. Form 3L предлагает для этого необходимую основу».

Для реализации проекта был выбран Form 3L, из-за объема печати. Камера печати Form 3L, составляющая 330 x 200 x 300 мм, позволяет печатать пластины размером 310 x 3 x 260 мм. При двух пластинах на оттиск требуется шесть сеансов печати, чтобы адекватно покрыть измерительную секцию. 

Чтобы гарантировать успешную реализацию своего исследовательского проекта, Ларс фон Дейн искал материалы, с помощью которых можно было бы хорошо воспроизвести детали и получить максимально гладкую поверхность.

Основываясь на этих требованиях, а также характеристиках Form 3L, группа поддержки Formlabs рекомендовала Ларсу фон Дейну использовать серую смолу Formlabs. Помимо высокого уровня детализации, необходимого для проекта, она также не требует постобработки. В качестве второго материала был предложен материал Resin V2. 

Затем два материала были протестированы и сравнены с использованием двух тестовых геометрий разных размеров и с различной толщиной слоя. 

Тестовые структуры были напечатаны с разными размерами угла вершины, выступа и высоты, и они показаны слева для набора 1 и справа для набора 2. 

Анализ результатов 3D-печати, при сравнении с фрезерованными на станках с ЧПУ структурами, дает информацию о том, какой материал имеет наилучшую точность размеров и качество поверхности.

Оценка с помощью 3D-профилометра исключает точность поверхности, достигнутую для 3D-печатных структур. Слева представлены результаты набора 1, полученные в процессе 3D-печати SLA, в сравнении с геометрией, полученной фрезерованием на станке с ЧПУ. Результаты для меньшего набора 2 можно увидеть на картинке справа. Стандартное отклонение обозначается ????.

Эксперимент показал, что толщина слоя 100 микрон и 50 микрон одинаково хорошо отображает желаемую геометрию ребра.

Как и ожидалось, острые углы не могут быть воспроизведены точно при SLA-печати. Вершина треугольника закруглена, в результате чего получается приблизительно круглая вершина с радиусом 70 микрон. Этот радиус наконечника также соответствует радиусу фрезерованной на станке с ЧПУ геометрии. В связи с этим достигается столь же хороший результат. 

По результатам предварительного исследования для реализации проекта был выбран материал Grey V4 с толщиной слоя 50 микрон. Поскольку качество поверхности было определено как центральное требование процесса печати, допускается более длительное время печати, по сравнению со слоями толщиной 100 микрон для получения менее волнистой поверхности. Grey V4 оказался выгодным из-за простоты использования. Высокая размерная точность прецизионных структур может быть достигнута только за счет итеративной оптимизации в сочетании со сканированием поверхности. При правильном обращении можно добиться отличных результатов печати. 

Плюсы и минусы 3D-принтеров Formlabs для образования и исследований

Top 3D Shop и производитель дают официальную гарантию на всё поставляемое оборудование, а также оказывают техническую поддержку и гарантийное обслуживание.