Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии (96

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

И.Е. Малов, И.Н. Шиганов

ОСНОВЫ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150200 специальности 150206 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов»

М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2 0 0 6

УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86:30.61

М19

Рецензенты: В.К. Драгунов, В.А. Васильев

Малов И.Е., Шиганов И.Н.

М19 Основыпослойногосинтезатрехмерныхобъектовметодом лазерной стереолитографии: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 40 с.: ил.

ISBN 5-7038-2879-1

В пособии рассмотрены физико-химические процессы синтеза полимерных объектов методом лазерной стереолитографии, конструктивные особенности используемого для этого оборудования, основные аспекты технологии послойного синтеза, сделан обзор стереолитографических установок, выпускаемых в России и за рубежом. Также в данной работе освещены вопросы использования пластиковых моделей в литейных технологиях для получения отливок из различных материалов.

Для студентов старших курсов машиностроительных специальностей.

Ил. 15. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.

УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86:30.61

ВВЕДЕНИЕ

Впоследние десятилетия темпы развития промышленности достигли такого уровня, когда временные затраты на внедрение новых изделий в производство должны исчисляться не годами, как прежде, а месяцами или даже днями. В связи с этим весьма актуальным является использование на производстве современных высокоинтеллектуальных технологий быстрого прототипирования, основанных на послойном синтезе трехмерных моделей будущих деталей. Данные технологии позволяют в несколько (а иногда и в десятки) раз сократить время перехода от чертежа к реальному изделию.

Внастоящее время известно несколько десятков таких технологий. Все они объединены под общим названием RP&M (Rapid Prototyping and Manufacturing) – технологии быстрого прототи-

пирования и производства. Также их называют Desktop Manufacturing – технологии настольного производства, FFFF (Fast Free Form Fabrication) – технологии быстрого изготовления форм и

CARP (Computer Added Rapid Prototyping).

Видное место среди лазерных RP&M-технологий занимает стереолитография – Stereolithography Laser Added (SLA). Впервые она была предложена Чарльзом Хеллом в 1984 г. Патент на данную технологию был получен фирмой 3D Systems в 1988 г. Лазерная стереолитография относится к методам послойного синтеза. В качестве расходного материала, из которого выращивают изделия, используются жидкие олигомерные фотополимеризующиеся композиции (ФПК). Данные композиции обладают свойством твердеть при воздействии на них светового излучения с определенной длиной волны.

Исходной информацией о выращиваемом объекте для лазерной стереолитографической установки является трехмерная компьютерная модель будущей детали, которая при помощи специального программного обеспечения разбивается на горизонтальные слои с шагом 15…500 мкм (компьютер 1, на рис. 1). Подготовленная ин-

3

формация загружается в компьютер 2, управляющий работой установки, задаются требуемые технологические параметры и запускается процесс выращивания, который от начала до конца протекает в автоматическом режиме. Платформа, на которой будет выращиваться модель, переводится в начальное (нулевое) положение, соответствующее поверхности ФПК, и лазерный луч, перемещаясь по двум координатам в горизонтальной плоскости, вырисовывает на этой поверхности изображение первого слоя компьютерной модели. В результате области ФПК поглотившие достаточное количество лазерной энергии преобразуются в полимерную пленку заданной толщины (15…500 мкм). Далее платформа погружается в ФПК на глубину равную толщине второго слоя, и луч вырисовывает на поверхности жидкости изображение второго слоя. Данный, процесс повторяется до тех пор, пока все слои не будут отработаны. Затем платформа вместе с выращенной моделью 8 поднимается над поверхностью ФПК, модель снимают с платформы, дополимеризовывают и используют по назначению.

Рис. 1. Упрощенная схема стереолитографа:

1 – компьютер предварительной подготовки модели; 2 – управляющий компьютер; 3 – излучатель лазера; 4 – оптическая система; 5 – система перемещения лазерного луча; 6 – система вертикального перемещения с платформой выращивания; 7 – рабочий бак с ФПК; 8 – выращиваемое изделие

Благодаря физико-химическим свойствам расходного материала и высокой пространственной селективности воздействия лазерного излучения по сравнению с другими RP&M-технологиями стериоли-

4

тография позволяет получать наиболее сложные и точные изделия (в отдельных случаях может достигаться точность ±10 мкм). Также достоинствами данной технологи являются: экономичный расход материала, относительно низкая шероховатость поверхности изделий, использование лазерного оборудование малых мощностей и др.

К слабым сторонам лазерной стереолитографии можно отнести: большое время постобработки (до 10 и более часов), усадку полимера при выращивании и последующей дополимеризации изделия, токсичность ФПК, ограниченное количество возможных типов ФПК и их высокую стоимость (100…300 долл. США за литр), большие затраты на обучение персонала и обслуживание оборудования, ограниченные размеры получаемых изделий (не более 504×504×600 мм).

В настоящее время около 80 % стереолитографического оборудования на мировом рынке выпускает Американо-Германская фирма 3D Systems. В России налажен одиночный выпуск стереолитографов серии ЛС Институтом проблем лазерно-информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН).

Модели, полученные методом лазерной стереолитографии, находят применение в самых разных областях жизнедеятельности человека. В одних случаях они могут являться конечным изделием, в других выступать в роли формообразующей оснастки. Например, пластиковые модели позволяют оценить дизайн, удобство использования, конструктивные особенности будущего изделия, проверить собираемость и работоспособность конструкций, провести легкие аэродинамические и гидродинамические испытания. По стереолитографическим моделям можно изготовить различные формы (эластичные, песчано-глиняные, холоднотвердеющие, металлополимерные и др.) для получения конечных изделий из широкого спектра литьевых материалов (металлов, пластмасс и др.). Например, по стереолитографическим моделям получают опытные и серийные отливки для машиностроения, серийные изделия ювелирной промышленности, разного рода биосовместимые имплантанты (суставы, фрагменты косного скелета) и т. д.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ

Фотополимеризующаяся композиция является многокомпонентной жидкостью, способной трансформироваться в твердый

5

полимер под воздействием светового излучения с определенной длиной волны.

Данная глава посвящена рассмотрению механизма фотоинициирования реакции радикальной полимеризации данных композиций и физико-химических процессов протекающих при этом.

1.1. Состав и свойства фотополимеризующихся композиций

Суть метода лазерной стереолитографии состоит в пространст- венно-селективном отверждении жидкой фотополимеризующейся композиции (ФПК) посредством воздействия на нее сфокусированным лазерным излучением с определенной длиной волны.

Применительно к лазерной стереолитографии, наиболее важными параметрами ФПК являются: интегральная и спектральная светочувствительность, спектральная область максимума поглощения, степень светорассеяния, вязкость, жизнеспособность, степень усадки при отверждении, прочность образуемого полимера.

Основными компонентами, входящими в состав ФПК, являются различные олигомеры, молекулы которых способны образовывать полимерные цепи. В частности, используются такие олигомеры:

бис-ГМА

СН2=С(СН3)СООСН2СН(ОН)СН2ОС6Н4С(СН3)2С6Н4ОСН2СН(ОН)СН2ООСС(СН3)=СН2,

диакрилат гександиола

СH2 = CHCOOCH2(CH4)2OOCCH = CH2,

олигокарбонатметакрилат

СН2 = С(СН3)СООСН2СН2ОСООСН2СН2ОСН2СН2ОСООС(СН3) = СН2 и другие.

Также в ФПК входят фотоинициаторы – соединения, способные в возбужденном состоянии образовывать свободные радикалы, например кетоны. Фотоинициаторы должны удовлетворять целому ряду требований: обладать хорошей совместимостью с компонентами композиции, иметь низкую летучесть, высокую инициирующую способность и т. д.

В некоторых случаях в фотополимеризующиеся композиции добавляют различные красители, способные поглощать световое излучение той или иной длины волны. Примером таких соединений

6

могут быть: ферроцениевые соли, системы ферроцен-полигалоген, титаноцены, карбониты металлов-ониевые соли, координационные комплексы катионов металлов, цианиновые, ксантеновые, триарилметановые, кетокумариновые красители и др. Для повышения жизнеспособности ФПК в их состав вводят ингибиторы. Ингибитор, в зависимости от его концентрации, в большей или меньшей степени тормозит начало процесса фотополимеризации и может существенно повлиять на физико-механические и химические свойства композиции. Применение ингибиторов типа гидрохинона или различных производных фенола способствует повышению стабильности композиции и снижению ее относительной светочувствительности. Следует отметить, что растворенный в ФПК кислород также является ингибитором. Его влияние особенно ощутимо в поверхностных слоях композиции, контактирующих с воздухом.

1.2.Механизм образования твердого полимера под воздействием лазерного излучения и протекающие при этом физикохимические процессы

Влазерной стереолитографии для инициации реакции фотополимеризации наиболее широко используется световое излучение

ультрафиолетового (УФ) диапазона. Это объясняется тем, что энергии кванта hν ультрафиолетового излучения достаточно для разложения (гомолиза) ряда органических соединений входящих в состав ФПК в качестве фотоинициаторов. Фотоинициаторами называют соединения, которые под воздействием светового излучения переходят в возбужденное состояние и распадаются на свободные радикалы (частицы, имеющие один или два неспаренных электрона), инициирующие реакцию полимеризации. В частности фотоинициаторами могут быть кетоны, например бензоин, имеющий СО-группу, которая хорошо поглощает УФ излучение.

Образовавшиеся в результате распада фотоинициатора свободные радикалы (R·) благодаря наличию неспаренных электронов

активно атакуют двойные связи молекул олигомера (CH2 = CHX), присоединяя их к себе:

R·+ CH2 = CHX → R-CH2-CHX·

В результате у молекулы олигомера появляются разорванные связи (одна или две), посредством которых она взаимодействует с другими молекулами олигомера, также присоединяя их к себе:

7

R-CH2-CHX·+ CH2=CHX → R-CH2-CHX-CH2-CHX ·

R-CH2-CHX-CH2-CHX· + CH2 = CHX →R-CH2-CHX-CH2-CHX-CH2-CHX·

Необходимо отметить, что процесс полимеризации носит пространственный характер из-за того, что у молекул олигомера (мономера) есть две двойные связи и при срастании происходит ветвление. Таким образом, возникает цепная реакция полимеризации со срастанием (в теории) бесконечного количества молекул олигомера (для этого нужен всего один радикал). На практике в определенный момент происходит обрыв реакционной цепи, что связано с исчезновением неспаренного электрона. Как правило, обрыв является результатом взаимодействия двух радикалов (рекомбинация, диспропорционирование) либо радикала и молекулы ингибитора.

В последние годы в лазерной стереолитографии для фотоинициации реакции полимеризации стали использовать также и видимое излучение в диапазоне длин волн 440…540 нм (голубое–зеленое излучение) [2–4]. Увеличение длиныволнысУФ-диапазона до голубого не повлекло за собой значительных изменений в составе использующейся ФПК. Но при использовании зеленого излучения потребовалось внести в состав ФПК весомые коррективы, связанные с изменением механизма инициирования реакции полимеризации. Причиной этого послужила низкая энергия фотона hν зеленого излучения, которой оказалось недостаточно для непосредственного возбуждения фотоинициатора и его разложения на свободные радикалы.

Полимеризация ФПК под воздействием зеленого излучения стала возможной благодаря замене традиционного фотоинициатора на сенсибилизатор (химическое соединение, эффективно поглощающее лазерное излучение данной длины волны) и соинициатор (донор электрона). В результате этих преобразований механизм инициирования стал выглядеть следующим образом.

Зеленое лазерное излучение, попадая в композицию, поглощается молекулами сенсибилизатора (красителя), которые при этом переходят в возбужденное триплетное состояние. Возбужденный сенсибилизатор взаимодействует с соинициатором и образует комплекс столкновения, при этом происходит перенос заряда он переходит в эксиплексное1 состояние и передача энергии. Благо-

1 – Термин эксиплекс указывает на возникновение возбужденного комплекса определенного стехиометрического состава, образованного возбужденной молекулой и одной или несколькими другими молекулами, находящимися в основном состоянии

8

даря полученной энергии возбужденный соинициатор распадается на свободные радикалы – молекулы, у которых либо не хватает электрона, либо есть лишний электрон. После этого, начинаются процессы инициации и роста полимерных цепей, которые по сути идентичны таким же процессам, протекающим в ФПК под воздействием УФ излучения.

2.ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ

2.1.Варианты послойного синтеза

Вконструкцию подавляющего большинства стереолитографических установок заложен принцип полимеризации и наращивания изделия от верхней свободной поверхности ФПК, контактирующей

своздухом (рис. 2, а). Но встречаются и стереолитографы, в которых реализован принцип облучения ФПК лучом, проходящим через прозрачное окно в дне рабочего бака (рис. 2, б). Каждому из этих вариантов конструкции присущи свои преимущества и недостатки.

а б

Рис. 2. Схемы процесса послойного синтеза:

а– выращивание от свободной поверхности; б – выращивание от дна бака

Впервом случае приходится иметь дело с подвижной границей раздела воздух/жидкость. Поскольку полимеризация протекает в тонком приповерхностном слое ФПК, возникает необходимость защищать его от воздействия внешних факторов, таких как перепады температуры и влажности воздуха, а также от загрязнения содержащимися в воздухе частичками пыли и т. п. Все это может

9

существенно повлиять на ход процесса полимеризации и соответственно на качество получаемого изделия. Немаловажным фактором является также диффузионное насыщение поверхности ФПК молекулярным кислородом, содержащимся в воздухе. Как было показано в предыдущей главе, в процессе полимеризации кислород вступает в химическое взаимодействие со свободными радикалами – ключевыми продуктами стадии инициирования – и нейтрализует их, тем самым замедляя или полностью останавливая процесс роста полимерных цепей. В результате этого тонкий поверхностный слой, наиболее насыщенный кислородом, всегда остается жидким.

Помимо этого следует помнить, что поверхность жидкости всегда стремится занять положение, в котором вектор нормали к ней совпадает с направлением силы тяжести. Следовательно, необходимо точно ориентировать установку в пространстве – отклонение направления перемещения платформы выращивания от вектора силы тяжести не должно превышать 0,3…0,5 мрад.

Еще одной сложностью при выращивании изделий от свободной поверхности является формирование слоев жидкой ФПК заданной толщины. Поскольку вязкость ФПК может доходить до 1 Па·с (1000 сантипуаз), для естественного натекания слоя толщиной в несколько десятков микрометров требуется весьма значительное время. Поэтому для ускорения данного процесса и увеличения производительности, платформу выращивания погружают в ФПК на заведомо большую глубину (до нескольких миллиметров), чем толщина текущего слоя. После того как жидкость покроет всю поверхность рабочей зоны, платформу поднимают до положения, в котором она погружена в композицию на глубину, равную толщине текущего слоя. При этом на зеркале жидкости образуются выпуклые мениски над ранее выращенными частями изделия, находящимися в непосредственной близости от поверхности. Это явление обусловлено тем, что из-за относительно высокой вязкости композиции требуется определенное время, чтобы растечься в слой установленной толщины, причем чем тоньше слой и больше площадь мениска, тем больше время растекания. Если изделие выращивается слоями толщиной в несколько десятков микрометров, то время растекания ФПК может быть настолько большим, что практическая реализация данной технологии будет иметь смысл только при введении в конструкцию установки дополнительной подсистемы, которая будет принудительно выравнивать поверхность ФПК, одновременно калибруя слой по толщине.

10