ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ 3D-ДРУКУ ПІД ЧАС ПРОЄКТУВАННЯ ЗАСОБІВ ОБРОБІТКУ ҐРУНТУ

Анотація

У статті розглянуто можливості застосування адитивних технологій у процесі проєктування та вдосконалення засобів обробітку ґрунту на прикладі перспективного лісового культиватора, призначеного для експлуатації в умовах нерозкорчованих вирубок. Наведено класифікацію обладнання для 3D-друку за рівнем його доступності та функціонального призначення, що охоплює споживчий, персональний, професійний і виробничий класи, а також виконано порівняльний аналіз сучасних систем 3D-друку за вартістю з орієнтацією на умови європейського ринку. Показано, що персональні 3D-принтери за своїми технічними характеристиками та економічними показниками є доцільною альтернативою дорогим професійним установкам для використання в освітніх і науково-дослідних закладах.
У межах дослідження розроблено тривимірну твердотільну модель лісового культиватора в середовищі CAD-системи SolidWorks та здійснено її підготовку до адитивного виготовлення в програмному забезпеченні Simplify3D. Описано послідовність технологічних операцій, що включає орієнтацію деталей у робочому об’ємі принтера, масштабування, налаштування параметрів друку, генерацію підтримок і формування керувального G-коду. Запропоновано підхід до поділу вихідної цифрової моделі на окремі функціональні вузли з урахуванням обмежень робочої камери 3D-принтера, особливостей спряження елементів і необхідності забезпечення рухомості основних вузлів макета. У результаті проведено адитивне виготовлення масштабованої моделі культиватора в масштабі 1:20 із використанням екструзійної технології друку. Отриманий макет відтворює конструктивну будову, просторове компонування та взаємне розташування основних вузлів машини, зберігаючи рухомість секцій робочих органів, елементів підвіски й запобіжних механізмів. Показано, що наявність функціональних рухомих з’єднань дає змогу імітувати реальні робочі рухи знаряддя, аналізувати його кінематику, траєкторії переміщення робочих органів, характер взаємодії вузлів між собою, а також оцінювати вплив різних варіантів компонування на функціональні параметри конструкції.
Окрему увагу приділено аналізу двох основних варіантів компонування культиватора, призначених для суцільного обробітку міжрядь лісових культур і для доглядів методом осідлання рядка. Наведено їх конструктивні особливості, параметри розміщення секцій робочих органів і ширини оброблюваних смуг, а також обґрунтовано універсальність запропонованої модульної схеми. Результати імітаційних досліджень свідчать про здатність культиватора надійно долати перешкоди у вигляді пнів заввишки до 38 см за глибини обробітку 12 см, що підтверджує доцільність використання такої конструкції в умовах нерозкорчованих вирубок. Показано, що застосування 3D-макетування на ранніх етапах проєктування дає змогу виявляти конструктивні недоліки та нераціональні компонувальні рішення ще до виготовлення повнорозмірного дослідного зразка, істотно скорочуючи часові й матеріальні витрати на доведення конструкції. Обґрунтовано можливість використання масштабного фізичного макета не лише як демонстраційного засобу, а й як функціонального експериментального стенда для верифікації результатів імітаційного моделювання, уточнення параметрів математичних і кінематичних моделей та підвищення достовірності прогнозування роботи культиватора.
Відзначено освітній і мотиваційний потенціал адитивних технологій, які дозволяють інтегрувати сучасні CAD/CAM-рішення в навчальний процес, підвищити наочність інженерних дисциплін і залучити студентів до активної науково-дослідної та винахідницької діяльності. У цілому результати дослідження підтверджують перспективність використання технологій 3D-друку як інструменту візуалізації, інженерного аналізу та оптимізації конструктивних рішень у галузі проєктування засобів обробітку ґрунту, зокрема для лісогосподарських машин, орієнтованих на застосування в межах еколого-ресурсозберігаючих технологій.