ММК Спецтехнология ЛА 2013

Рис. 5.72. Установка лазерной стереолитографии

Процесс выполняется до тех пор, пока не будет полностью сформирована деталь. Затем платформа поднимается. Деталь снимают с платформы, с ее поверхности удаляют остатки жидкого фотополимера и подвергают мощному ультрафиолетовому излучению для обеспечения заданной прочности. Поскольку послойно выращиваемый объект находится в жидкости, его необходимо жестко зафиксировать на платформе, чтобы избежать смещений и даже отрыва от платформы в результате воздействия гидродинамических сил, которые появляются при движении платформы с выращиваемой деталью в жидкости, или смешения центра масс выращиваемого объекта. Механические характеристики (прочность, упругость) тонкой полимерной пленки ограничивают допустимую в процессе послойного изготовления детали величину выступов.

Скорость создания детали определяется вязкостью жидкой композиции и энергией, необходимой для ее затвердевания, а также глубиной, на которой мощность лазера сокращается примерно на одну треть по сравнению с мощностью на внешней поверхности. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряжений, которые действуют в отдельных слоях детали и приводят к ее деформации. В связи с тем, что сфокусированное излучение имеет размеры несколько десятков микрометров и скорость его перемещения может достигать 1 м/с, можно говорить о создании высокоточной сверхскоростной компьютерной технологии воспроизведения формы пространственных объектов.

По координатам Х и У ограничением поточности служат такие параметры, как размер пятна лазерного излучения, динамическая точность позиционирования пятна и характеристика материала. Минимальная толщина стенки составляет 0,2—0,1 мм, программная точность воспроизведения -0,01-0,005 мм. Усадка и деформации материала при правильном подборе параметров процесса не превышают 0,1 мм. Следует учитывать, что уменьшение толщины отдаваемого слоя ведет к увеличению времени работы и, следовательно, увеличению стоимости модели. Обычно стремятся выбрать оптимальную для конкретной модели толщину слоя.

Размеры выращиваемых деталей ограничены, главным образом, габаритами ванны для полимерной композиции, которые обычно не превышают 500 мм. При этом можно склеить большую сталь из нескольких элементов, полученных отдельно, обработать и покрасить.

После изготовления прототип помещают в печь для окончательного отвердевания и сушки. Затем образец полируют и шлифуют. Прочность объектов, созданных с применением лазерных технологий для быстрого изготовления прототипов, позволяет им выдерживать сравнительно высокие напряжения. Готовые модели при нагреве до 100 °С сохраняют форму и размеры. Шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает

100 мкм.

Применяемые в лазерной стереолитографии материалы обещают хорошей прочностью, прозрачностью, влагостойкостью, Легко обрабатываются и окрашиваются. Качество поверхностей без доводки хорошее. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряжений, которые действуют в отдельных слоях детали и приводят к ее деформации. Например, в установках быстрого прототипирования используются композиты PC-ABS из смеси поликарбона и (PC) и пластика (ABS). Эти композиты ценят за то, что они обладают жесткостью и высокой температурной стойкостью поликарбоната и вязкостью, свойственной ABS.

Число установок, работающих по этой технологии, насчитывает десятки тысяч и быстро растет. Многие крупные компании эксплуатируют до десятка установок, более мелкие пользуют услугами специализированных центров.

Засветка слоя фоточувствительного полимера

В безлазерной стереолитографии создаваемая деталь рассекиется на тонкие слои, и рассчитывается геометрия каждого поперечного сечения. Для каждого сечения на стеклянной пластине создается фотошаблон, который помешается над поверхностью жидкой пластмассы. После включения на несколько секунд галогеновых ламп или точечных источников света поверхностным слой пластмассы затвердевает в местах, которые не были затемнены фотошаблоном. Все точки слоя затвердевают одновременно, что позволяет достичь достаточно высокой скорости получения объекта. Процесс начинается с маски, соответствующе нижнему слою. Оставшаяся жидкость удаляется с изготавливаемого образца.

Пустоты заполняют слоем жидкого воска, к которому прикладывают холодную пластину, чтобы он затвердел. Построенный слой шлифуется до требуемой толщины для получения гладкой поверхности и точной высоты слоя. Затем готовая часть образца покрывается тонким слоем жидкого полимера. Деталь вновь подвергается воздействию ультрафиолетового излучения для получения последующего слоя. Операции повторяются до тех пор, пока не будет обработан самый верхний слой.

Систему, работа которой основа на похожем принципе предлагает, например, немецкая компания Envisiontec. Устройство называется Prefactory (англ. «до завода»). Оно занимает всего 0,3 м2 площади, и его можно установить даже в небольшом офисе. Для одного рабочего слоя разрешение составляет 1280 х 1024 пикселей при размере пикселя 150 или 90 мкм. Толщина слоев варьируется от 150 до 50 мкм. Можно получить прототипы размером около 190 х 152 х 230 мм, а скорость печати составляет до 15 мм/ч (в высоту). Управляется принтер встроенным компьютером под управлением Linux, а связь с внешним миром осуществляется через локальную сеть. Задания на Prefactory можно посылать, как на обычный сетевой принтер.

Лазерное спекание легкоплавкого порошка

Лазерное спекание порошковых материалов (технология SLS — Selective Laser Sintering) обеспечивает изготовление образцов из относительно легкоплавких порошкообразных материалов: полиамида, полистирола, керамики и из порошков некоторых металлов. Наиболее популярным модельным материалом является порошковый полиамид. Он применяется для создания макетов, масштабных копий, функциональных моделей, т. е., моделей способных выполнить свою функцию как деталь машины или устройства, например, облицовка салона автомобиля или декоративных элементов кузова.

Лазерное спекание позволяет изготовлять модели с подвижными частями — например, с работающими петлевыми соединениями, нажимающимися кнопками и т. п. В ряде случаев полиамид применяют при проведении исследовательских работ по определению конфигурации какой-нибудь ненагруженной летами, например, впускного трубопровода автомобильного двигателя. Модель самолета, изготовленная из полиамида, может быть использована при проведении газодинамических исследований методами продувки.

Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой порошка надлежащей толщины. Источником тепла является лазерный луч. Он рисует па тонком слое порошка сечение ЗDмодели. Порошковые частицы нагревается выше температуры плавления, спекаются и формируют твердую массу, по форме соответствующую CAD-MO- дели. Чтобы пластик не загорелся и окислился, в рабочую зону подается азот. Затем элеватор опускается, насыпается следующий слой, и процедура повторяется (рис. 5.73). Лазерное спекание обеспечивает достаточно высокое качество деталей. Недостаток метода состоит в том, что поверхность деталей получается пористой.

Для этого процесса разработаны специальные материалы, позволяющие напрямую изготавливать металлические детали В качестве порошка здесь используются микрочастицы стали, покрытые сверху слоем связующего пластика. После спекания пластика деталь обжигается в печи. Пластик выгорает, а образовавшиеся поры заполняют бронзой. Модель, полученная этим методом, обладает высокой прочностью, так как состоит на 60 % из стали и на 40 % из бронзы.

Фактически, SLS уже сейчас позволяет производить полноценные металлические предметы, причем произвольной формы Недостаток метода: высокая стоимость установки и низкая производительность.

Рис. 5.73. Лазерное спекание порошковых материалов

Технология FDM

Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке на охлаждаемую платформу выходящей из фильера (раздаточной головки) разогретой до полужидкого состояния полимерной нити соответствии с геометрией модели детали, разработанной в системе CAD (рис. 5.74).

Термопластичный материал наносится тонкими слоями (0,25—0,33 мм) на неподвижное основание. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели. Программа ориентирует математическую модель, созданную в формате STL, оптимальным для изготовления образом, разбивает ее На горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели.