Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии (96

Поскольку формирование каждого слоя происходит на поверхности ФПК, то любые колебания или отклонения от плоскостности этой поверхности будут напрямую влиять на профиль отвержденных слоев и соответственно на качество конечного изделия. Это обуславливает дополнительные требования по минимизации импульсных механических воздействий (толчки, вибрации и т. п.) на ФПК со стороны подсистем установки.

Кроме того, при выращивании изделия от свободной поверхности возникает необходимость точного регулирования уровня ФПК в баке, так как толщина установленного слоя будет зависеть от взаимного положения платформы выращивания и поверхности композиции.

Таким образом, суммарная погрешность толщины каждого слоя, при выращивании изделия от свободной поверхности складывается из погрешностей нескольких систем: перемещения платформы выращивания, системы поддержания уровня ФПК в рабочем баке и выравнивания поверхности ФПК.

В стереолитографических установках второго типа (см. рис. 2, б) полимеризация происходит в тонких слоях ФПК, непосредственно прилегающих к прозрачному дну бака выращивания. Верхняя свободная поверхность, контактирующая с воздухом, не оказывает значительного влияния на процесс выращивания. Следовательно, не нужно использовать систему выравнивания поверхности ФПК, необходимую в установках первого типа. Поверхность каждого слоя автоматически получается гладкой и ровной, копируя плоский профиль прозрачного дна. Также отпадает необходимость точно регулировать уровень ФПК в рабочем баке. В итоге суммарная погрешность толщины каждого слоя будет соответствовать погрешности системы перемещения платформы выращивания. Кроме того, вопросы защиты области полимеризации от воздействий окружающей среды и импульсных механических воздействий также не являются столь насущными, как в первом варианте. Еще одним позитивным моментом выращивания от дна бака является возможность проведения процесса при частично заполненном баке. Нет необходимости наливать полный бак ФПК, как в первом варианте. Достаточно залить чуть большее количество композиции, чуть большее, чем требуется для выращивания текущего изделия, так чтобы при формировании последнего слоя он оставался покрытым слоем жидкости.

Несмотря на очевидные преимущества второго варианта конструкции, она не поучила широкого распространения. Причиной

11

этого являются большие сложности, связанные с прилипанием формируемого изделия к прозрачному дну бака, в результате чего при подъеме платформы выращивания существует большая вероятность повреждения изделия – пластическая деформация, надрывы, отрыв отдельных элементов или всего изделия от платформы выращивания. Чем больше площадь текущего слоя, тем вероятность повреждения больше. Данное прилипание обусловлено главным образом не адгезией, а разряжением, между поверхностью твердого полимера и дном бака, которое создается при подъеме изделия, из-за того, что силы трения и поверхностного натяжения препятствуют проникновению ФПК в раскрывающуюся полость. Ситуация усугубляется тем, что в придонных слоях ФПК содержится минимальное количество растворенного кислорода, поэтому слой полимеризуется вплоть до самого дна бака и не остается жидкой пленки, как это происходит при полимеризации на поверхности граничащей с воздухом.

2.2. Наиболее распространенные лазерные стереолитографы

2.2.1. Состав и принцип работы

Большинство выпускаемых в мире лазерных стереолитографических установок имеют сходный состав основных подсистем, обеспечивающих автоматическую работу комплекса без участия оператора на протяжении всего процесса выращивания изделия. Хотя конструктивное выполнения подсистем может быть самым разным, их функциональное назначение в основном идентично. Рассмотрим базовый состав подсистем лазерного стереолитографа, в котором реализован принцип синтеза от свободной (верхней) поверхности ФПК (рис. 3).

Система электропитания 1 выполняет следующие функции:

–преобразование сетевой электроэнергии (~220 В, 50 Гц) в электроэнергию с параметрами необходимыми для питания всех систем установки;

–обеспечение бесперебойной подачи электроэнергии на все системы установки во время ее работы;

–защита всех систем установки от перепадов напряжения в сети,

атакже кратковременных отключений сетевой электроэнергии. Лазер 2 предназначен для генерации непрерывного излучения с

требуемой длиной волны, посредством которого осуществляется полимеризация ФПК.

12

Рис. 3. Блок схема лазерной стереолитографической установки

Панель управления установкой 3 предназначена для размещения:

–гнезда блокировочного ключа, посредством которого осуществляется блокировка работы кнопок управляющей панели;

–кнопки включения (выключения) установки;

–кнопки аварийной остановки установки;

–индикаторов отображающих работу систем установки;

–кнопок ручного управления системами установки. Оптическая система 4 выполняет следующие функции:

–формирование лазерного луча с необходимыми для процесса стереолитографии пространственно-временными и энергетическими характеристиками;

–транспортировка лазерного луча в зону обработки. Оптическая система, как правило, состоит из следующих ос-

новных узлов:

–акустооптический модулятор 4.1 (для открытия/закрытия лазерного излучения и управления мощностью лазерного луча с быстродействием порядка 1 мкс);

–система зеркал 4.2 (для транспортировки лазерного луча от излучателя в зону обработки);

–система замера мощности лазерного луча 4.3 (для измерения мощности лазерного луча на выходе из оптической системы, во время выполнения установкой технологических операций, не связанных с использованием излучения);

–фокусирующая система 4.4 (для формирования лазерного луча с необходимыми пространственными характеристиками).

Система перемещения лазерного луча 5 предназначена для перемещения в горизонтальной плоскости (координаты X, Y) с заданной скоростью и точностью по траектории, задаваемой управляющим компьютером.

Система вертикального перемещения платформы 6 выполняет следующие функции:

–позиционирование платформы выращивания с формируемым изделием по координате Z с заданной точностью и скоростью в соответствиискомандами, поступающимиотуправляющегокомпьютера;

–удержание платформы с формируемым изделием в установленном положении.

Рабочий бак 7 предназначен для размещения рабочего объема жидкой ФПК, в котором осуществляется выращивание детали.

Платформа выращивания 8 предназначена для размещения удержания выращиваемой детали 9.

Система выравнивания поверхности ФПК 10 предназначена для выравнивания неровностей на поверхности жидкой ФПК,

14

возникающих при перемещении платформы с выращиваемой деталью.

Система автодолива и регулировки уровня ФПК 11 реализует:

–налив ФПК из резервной емкости в рабочий бак;

–слив ФПК из рабочего бака в резервную емкость;

–поддержание поверхности ФПК на заданном уровне в процессе выращивания.

Система перемещения рабочего бака 12 выполняет функции:

–позиционирования рабочего бака с ФПК в рабочее положение и в положение сервисного обслуживания;

–удержания бака с ФПК в рабочем положении.

Система термостабилизации 13 предназначена для реализации:

–нагрева/охлаждения рабочей камеры и ФПК до заданной температуры;

–поддержания температуры рабочей камеры и ФПК на установленном уровне с заданной точностью;

Система управления установкой 14 осуществляет следующие фунции:

–управление лазером;

–формирование и передачи информационных сигналов на панель управление установки;

–управление узлами оптической системы;

–управление системой перемещения лазерного луча по координатам X, Y;

–управление системой вертикального перемещения платформы;

–управление системой выравнивания поверхности ФПК;

–управление системой автодолива и регулировки уровня ФПК;

–управление системой перемещения рабочего бака;

–получение информации от системы термостабилизации и ее обработка;

–получение информации от системы блокировок и ее обработка;

–запоминание и хранения информации о месте остановки выполнения программы при прерывании процесса выращивания до его завершения;

–связь с компьтером подготовки данных;

–хранение файлов выращиваемых деталей и информации необходимой для функционирования установки;

–обеспечение взаимодействия оператора с установкой (отображение параметров процесса и состояния систем, восприятие и обработка управляющего воздействия от оператора);

–оповещения оператора по телефону о завершении процесса выращивания, либо о возникновении аварийной ситуации.

15

Система блокировок 15 выполняют следующие функции:

–обеспечение безопасности оператора, обслуживающего персонала и людей, находящихся вблизи установки;

–предотвращение столкновений движущихся частей установки при их взаимном перемещении;

–обеспечение отработки аварийных ситуаций;

–защита работающей установки от некорректного вмешательства со стороны человека.

2.2.2.Примеры выпускаемого оборудования

Втаблице приведены основные параметры наиболее распространенных лазерных стереолитографических установок американской фирмы 3D Systems и отечественной установки производства ИПЛИТ РАН.

Окончание таблицы

2.3.Параметры и принцип работы основных подсистем

2.3.1.Лазер

Использование в стереолитографии лазерного излучения обусловлено необходимостью пространственно-селективного воздействия на материал. Однако в данной технологии может быть использовано излучение не каждого лазера. Обусловлено это свойствами фотополимеризующейся композиции, используемой для синтеза изделий (см. гл. 1). Наибольшее применение в лазерной стереолитографии получила композиция, химически активная по отношению к излучению УФ диапазона спектра. Подавляющее большинство выпускаемых стереолитографов комплектуются лазерами, генерирующими излучение в данном диапазоне. До недавнего времени широко использовались газовые лазеры с отпаянной трубкой – HeCd (λ = 325 нм). Данные лазеры имеют ограниченный срок службы, от 1000 до 2000 ч. Стоимость трубки доходит до 2000 долл. США,

17

что приводит к большим затратам на сервисное обслуживание данных установок.

Более современные установки комплектуются твердотельными лазерами типа Nd:YV04 (иттрий-ванадиевый гранат, активированный ионами неодима). Основная длина волны, генерируемая данным кристаллом, λ = 1064 нм (ИК-диапазон) преобразуется при помощи двух последовательно расположенных нелинейных оптических элементов в третью гармонику λ = 354,7 нм (УФ-диапазон). КПД таких лазеров составляет 1…2 %.

Последние разработки в области лазерной стереолитографии свидетельствуют о перспективности применения в данной технологии лазеров генерирующих в видимом диапазоне спектра. В частности, в России создана экспериментальная установка на базе твердотельного лазера с диодной накачкой, генерирующего излучение с длиной волны 532 нм (зеленая область спектра). Аналогичные разработки существуют в японской промышленности. Лазеры с диодной накачкой обладают рядом преимуществ перед твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Они имеют более высокий КПД, малые габариты, большую надежность в течение всего срока службы, хорошее качество излучения, а также могут работать в различных режимах генерации излучения, позволяющие оптимизировать разработку оборудования. Стоимость лазеров такого типа гораздо ниже, чем твердотельных с ламповой накачкой, диодных лазеров и лазеров на парах металлов сравнимой мощности. В настоящее время мощность лазеров с диодной накачкой может доходить до 30 Вт. Кроме того, по сравнению с УФ зеленое излучение является более удобным для использования в технологических установках. Это объясняется тем, что оптические системы для видимого диапазона хорошо разработаны и позволяют использовать все известные схемы сканирования лазерного луча и световолоконной оптики.

2.3.2. Система перемещения лазерного луча

Для лазерной стереолитографии традиционным является применение систем перемещения лазерного луча сканаторного типа. Подавляющее большинство существующих на данный момент установок имеют в конструкции гальванический сканатор, главным достоинством которого является сочетание большой скорости с достаточно высокой точностью позиционирования лазерного луча. Данные устройства малоинерционны, компактны и достаточно надежны в работе.

18

Однако сканаторные системы не лишены и ряда недостатков:

–облучение поверхности ФПК без нарушения фокусировки возможно только в пределах определенного угла отклонения сканатора;

–реально размеры поля обработки могут быть не более 508×508 мм (что и реализовано в последних установках SLA 5000

иSLA 7000, выпускаемых фирмой 3D Systems);

–зависимость максимально возможного размера поля обработки от минимально возможного диаметра луча в фокусе;

–непостоянство точности позиционирования луча на разном расстоянии от центра поля обработки;

–неперпендикулярность луча к плоскости обработки. Напротив, плоттерные системы перемещения лишены всех пе-

речисленных недостатков сканаторов, но при этом они гораздо более инерционны и часто не позволяют добиться сочетания высокой скорости и точности позиционирования.

2.3.3. Система перемещения платформы выращивания

Платформа выращивания является местом размещения синтезируемого изделия. Она устанавливается на рабочую каретку системы вертикального перемещения и осуществляет поступательные движения вдоль вертикальной оси.

К системам вертикального перемещения в лазерных стереолитографических установках предъявляют достаточно жесткие требования по точности позиционирования объекта и высокой повторяемости перемещений при реверсивной работе. Кроме того данная система должна обладать достаточной грузоподъемностью для перемещения выращенного изделия и обеспечивать необходимое усилие удержания объекта в заданном положении.

Исходя из этих требований наиболее часто систему вертикального перемещения выполняют на базе шарико-винтовой пары (ШВП), приводимой в движение шаговым двигателем.

2.3.4. Система выравнивания поверхности ФПК

Система выравнивания поверхности ФПК состоит из основания, на котором крепятся направляющие, датчики положения и шаговый двигатель, приводящий в движение каретку с рабочим органом. Поскольку к данной системе не предъявляют высоких требований по точности позиционирования рабочего органа, как правило, для преобразования вращательного движения ротора двигателя в поступательное движение каретки используют зубчатую ременную переда-

19

чу. Рабочим органом является выравнивающий нож, установленный на рабочей каретке.

В последних установках фирмы 3D Systems рабочий орган претерпел существенные изменения. Выравнивающий нож был заменен щелевым экструдером (устройство zephyr), функция которого заключается не в выравнивании поверхности ФПК, а в нанесении слоя композиции путем выдавливания ее из щели.

Основными требованиями, предъявляемыми к данной системе, являются: 1) отклонение рабочего органа от плоскости перемещения не более ± 10 мкм; 2) плавность разгона и торможения; 3) отсутствие толчков и вибраций при работе.

2.3.5. Система регулирования уровня ФПК в баке выращивания

Данная система предназначена для поддержания поверхности ФПК в баке выращивания на заданном уровне с точностью несколько микрометров. Она состоит из двух основных узлов: подсистемы измерения отклонения поверхности ФПК от заданного уровня и подсистемы повышения/понижения уровня ФПК в баке.

Для измерения отклонения поверхности жидкости от заданного уровня с такой высокой точностью контактные и механические датчики малопригодны. По этому наиболее часто для решения такого родазадач используютоптические датчики, принципработыкоторых основан на смещении отраженного от измеряемой поверхности пучка параллельных лучей, относительно фотоприемного элемента (рис. 4). Такие датчики состоят из источника света 1, которым, как правило, является маломощный HeNeили диодный лазер, и приемника светового излучения – сегментного фоточувствительного элемента 5, которые закреплены на подвижной плите юстировочного механизма. Перед выращиванием очередного слоя измеряют положение поверхности ФПК. При этом включается лазер 1, луч которого 3 падает на поверхность жидкости 2 и, отражаясь от нее (луч 4), распространяется в сторону фотоприемника. Положение поверхности жидкости считают правильным в том случае, если смещение пятна отраженного луча на сегментах фотоэлемента невелико, т. е. разность мощностей, поглощаемых разными сегментами, не превышает критического значения. В противном случае уровень жидкости считают повышенным или пониженным, он подлежит корректировке. Если же отраженный лазерный луч совсем не попадает на фоточувствительную часть датчика, то уровень жидкости находится вне его рабочей зоны. В этом случае уровень жидкости параллельно измеряют при помощи менее точных датчиков (например, механических), которые имеют более

20