Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии (96

Последовательность исправления ошибок не всегда поддается формализации, поэтому в автоматизированной системе должна быть предусмотрена возможность ручного выбора возможных альтернатив.

2.Размещение моделей на рабочей площади платформы. На данном этапе выбирают оптимальное пространственное положение модели, которое обеспечивает минимальное количество подпорок и наиболее высокое качество (минимальную шероховатость) самых важных элементов объекта. Также оптимизируется размещение одной или нескольких моделей на платформе выращивания – осуществляется перемещение в пространстве, копирование модели и вставка другой модели.

3.Генерация подпорок с автоматическим определением прови-

сающих зон. Подпорки, как правило, представляют собой тонкие (0,1 … 0,5 мм) стенки, которые, пересекаясь друг с другом, образуют жесткую конструкцию, выполняющую несколько функций:

– фиксация объекта в процессе выращивания. В ходе послойного наращивания объекта происходит смещение его центра масс, что иногда приводит к возникновению опрокидывающего момента, под действием которого он может оторваться от платформы выращивания. Этому же способствуют гидродинамические силы, действующие на объект во время перемещения платформы в толще ФПК. Во избежание этого объект необходимо жестко зафиксировать на платформе выращивания при помощи подпорок;

– предотвращение провисания выступающих и нависающих областей (рис. 13). Механические характеристики (прочность, упругость) тонкой полимерной пленки ограничивают допустимую в процессе послойного изготовления детали величину выступов и «ручек». Также в процессе изготовления детали часто появляются несвязные области сечения, которые не имеют общих точек с предыдущим слоем. Для фиксации выступов, топологических «ручек», несвязных областей требуются вспомогательные элементы – подпорки (своеобразные строительные леса), которые поддерживают деталь в процессе ее изготовления [8];

– компенсация неровностей платформы выращивания. Поскольку поверхность платформы выращивания не является идеально гладкой, первые слои подпорок выполняют функцию выравнивания неровностей платформы;

– облегчение снятия выращенного объекта с платформы и предотвращение его повреждения при этом. В случае большой площади контакта выращенного изделия с платформой его отделение

31

от платформы будет затруднено и может привести к деформации изделия или его разрушению. Во избежание этого подпорки генерируются таким образом, чтобы нижняя поверхность изделия полностью опиралась на них, находясь на некотором расстоянии от платформы выращивания. Это позволяет перенести основную нагрузку, возникающую при снятии изделия с платформы, на нижнюю часть подпорок. Подпорки можно создавать и средствами САПР, но трудоемкость этой процедуры, зависимость структуры подпорок от типа ФПК и типа установки делают актуальным автоматическое выполнение названной операции в специальном программном приложении.

а б в

Рис. 13. Синтез объекта с выступающими элементами:

а – компьютерная модель объекта; б – провисание выступающих частей при выращивании очередного слоя без подпорок; в – выращивание очередного слоя с подпорками

4. Сечение модели с заданным шагом. Формирование сечений имеет свои особенности. Дело в том, что на основе построенного сечения будет выращиваться слой определенной толщины, в геометрическом смысле обобщенный цилиндр. Необходимо, чтобы данный слой полностью покрывал соответствующую часть истинного объекта. Выступающие из полученной твердой модели ступеньки обобщенного цилиндра можно затем удалить механической обработкой, заполнить же внутренние ступеньки невозможно [8].

Максимальное расстояние от ступеньки до истинной поверхности изделия называют шероховатостью (рис. 14). Шероховатость зависит от угла наклона поверхности и толщины выращиваемого слоя [9]. Система должна вырастить изделие, которое будет максимально близким к оригиналу (цифровой модели), и при

32

этом за минимальное время (из меньшего числа слоев). Толщиной слоя можно управлять в пределах от Hmin до Hmax (эти значения являются параметрами установки). Уменьшение толщины слоя понижает шероховатость изделия, но увеличивает количество сечений, а следовательно, время расчета и выращивания изделия [8]. Поэтому в качестве критерия в системах лазерной стереолитографии применяется максимально допустимое значение шероховатости. Система должна рассчитывать толщину текущего слоя таким образом, чтобы минимизировать общее количество слоев и не превысить допустимое значение шероховатости.

Рис. 14. Модель, разбитая на слои:

а – с постоянным шагом; б – с переменным шагом

На рис. 14 наглядно показано уменьшение шероховатости стереолитографической модели при использовании алгоритма изменения толщины слоя в зависимости от угла наклона поверхности (число слоев в моделях одинаково) [8].

5. Штриховка слоев. При расчете траектории луча лазера следует учитывать тот факт, что от времени экспонирования любого участка жидкого полимера зависит толщина получаемого твердого слоя. Поэтому при построении траекторий следует избегать многократных пересеченийисовпаденийгенерируемыхучастковтраектории[8].

Контур слоя обычно обходится лучом лазера по внутренней эквидистанте на расстоянии радиуса светового пятна от края слоя. Поэтому линии штриховки не должны доходить до контура на определенное расстояние. Учет этих требований усложняет задачу построения штриховки.

33

6.Просмотр и модификация отдельных сечений, в том числе удаление лишних полилиний, просмотр траектории движения лазерного луча и изменение ее параметров для отдельного слоя [5].

7.Сохранение подготовленной модели в специальном формате,

воспринимаемом лазерной стереолитографической установкой. На этом программная подготовка компьютерной модели буду-

щего изделия завершается и полученная информация передается в систему управления стереолитографа.

3.2.Синтез полимерного изделия на лазерном стереолитографе

ипостобработка изделия

Процесс синтеза изделия на лазерной стереолитографической установке осуществляется в полностью автоматическом режиме. В функции оператора входит: включение установки, подготовка ее к работе, ввод информации о выращиваемом объекте в систему управления установкой, настройка необходимых технологических параметров (мощность лазерного луча, скорость его перемещения, длительность технологических пауз и др.), запуск процесса выращивания. Упрощенный алгоритм работы установки в процессе выращивания объекта имеет следующий вид.

1. Отработка программы.

1.1. Отработкапервогослоябезвключениявыравнивающегоножа.

1.1.1.Включение тока накачки лазера и установка необходимой мощности излучения (акустооптический модулятор закрыт).

1.1.2.Перемещение лазерной головки в нулевое положение для корректировки (акустооптический модулятор закрыт).

1.1.3.Полное открытие акустооптического модулятора.

1.1.4.Контрольный замер мощности лазерного луча и ее корректировка.

1.1.5.Погружение платформы в ФПК на заданную глубину.

1.1.6.Выдержка платформы в погруженном стационарном положении в течение заданного времени для натекания ФПК.

1.1.7.Поднятие платформы до глубины, равной толщине отрабатываемого слоя, и фиксация ее в этом положении.

1.1.8.Выдержка перед началом обработки в течение заданного времени для выравнивания поверхности ФПК.

1.1.9.Перевод луча в начальную точку обработки текущего слоя (акустооптический модулятор закрыт).

1.1.10.Отрисовка подпорок.

1.1.11.Точный вывод поверхности ФПК в рабочее положение.

34

1.2.Отработка последующего слоя без включения выравнивающего ножа.

Переход к п. 1.1.

Если заданное количество слоев отработано, переход к п. 1.3.

1.3.Отработка первого слоя с включением выравнивающего

ножа.

1.3.1.Перемещение лазерной головки в нулевое положение для корректировки (акустооптический затвор закрыт).

1.3.2.Полное открытие акустооптического модулятора.

1.3.3.Контрольный замер мощности излучения и ее корректи-

ровка.

1.3.4.Погружение платформы в ФПК на заданную глубину.

1.3.5.Выдержка платформы в погруженном стационарном положении в течение заданного времени для натекания ФПК.

1.3.6.Поднятие платформы до глубины равной толщине отрабатываемого слоя и фиксация ее в этом положении.

1.3.7.Выравнивание поверхности ФПК ножом.

1.3.8.Выдержка перед началом полимеризации в течение заданноговременидляокончательноговыравниванияповерхностиФПК.

1.3.9.Перевод луча в начальную точку обработки текущего слоя (акустооптический модулятор закрыт).

1.3.10.Отрисовка контуров детали, заштриховка тела сечения детали, отрисовка подпорок.

1.3.11.Точный вывод поверхности ФПК в рабочее положение.

1.4.Отработка последующего слоя с включением выравнивающего ножа.

Переход к п. 1.3.

Если заданное количество слов отработано, переход к п. 2. 2. Подъем платформы с выращенной деталью над поверхно-

стью ФПК.

Следует отметить, что в зависимости от размеров объекта длительность его выращивания может составлять от нескольких минут до нескольких суток. Поэтому системы управления, защиты и блокировок установки сделаны таким образом, чтобы обеспечивать ее безаварийное функционирование на протяжении всего этого времени в отсутствие оператора.

По завершении процесса выращивания оператор снимает изделие с платформы, очищает его поверхность от остатков жидкой композиции и помещает в камеру дополимеризации для окончательного отверждения. Камера дополимеризации представляет собой шкаф, внутри которого установлены лампы, излучающие в УФ-

35

диапазоне и поворотный стол, на который устанавливается полимерный объект. Необходимость дополимеризации обусловлена тем, что в процессе синтеза изделия заполнение слоев осуществляется полимерными треками, уложенными в виде перекрестной штриховки с заданным шагом (без перекрытия), между которыми остаются ячейки, заполненные жидкой ФПК. Таким образом, выращенное изделие частично состоит из незаполимеризованной композиции и имеет низкие прочностные характеристики. В процессе дополимеризации остатки жидкой ФПК затвердевают и изделие становится достаточно прочным для дальнейшего использования.

3.3. Создание литых деталей по полимерной мастер-модели

Стереолитографические модели могут быть конечными изделиями (например, при оценке дизайнерских решений, проверке собираемости узлов), но могут также служить и промежуточным (формообразующим) звеномприполучениидеталейметодамилитья.

На сегодняшний день разработаны методы литья как с многоразовым использованием моделей (литье в песчано-глиняные формы, литье в формы из холоднотвердеющих смесей, литье со снятием эластичных форм), так и с одноразовым использованием моделей (литье по выжигаемым моделям) [10]. В ряде случаев в эластичные формы заливают воск и делают модели для получения отливок методом литья по выплавляемым моделям.

Наиболее точные отливки получают методом литья по выжигаемым моделям. Его суть заключается в создании керамической оболочки вокруг формообразующей модели, которую затем выжигают и в образовавшуюся полость заливают расплавленный металл. После остывания металла оболочку разрушают и получают металлическую деталь, форма которой соответствует выращенной модели. Учитывая высокую стоимость полимерных моделей, в данной технологии их применяют для изготовления единичных эксклюзивных отливок. Многолетние исследования показали, что основными причинами брака при литье по выжигаемым моделям является расширение полимера при нагревании, что может привести к разрушению оболочковой литейной формы, и большое количество пиролитического (коксового) остатка, образующегося при сгорании полимера внутри формы [10, 11].

Влияние этих негативных явлений можно значительно уменьшить, если использовать для получения оболочковых форм квазиполые стереолитографические модели, выращенные методом

36

Quick Cast («быстрое литье») (рис. 15). Суть данного метода заключается в том, что из ФПК формируется только поверхность тела и внутренние ребра жесткости. При этом экономится дорогостоящая ФПК и уменьшается время выращивания изделия. Этот метод используется специально для выращивания мастер-моделей для литья по выжигаемым моделям.

Рис. 15. Возможная структура квазиполой детали

При создании моделей методом QuickCast рекомендуется использовать полимеры с наименьшей линейной усадкой [12]. В данном случае этот параметр сильно сказывается на точности детали. Наилучшие результаты дают эпоксидные полимеры (≈ 0,06).

Следует также учитывать необходимость вытекания неотвержденной ФПК из тела детали. При этом важнейшую роль играет вязкость ФПК. С этой точки зрения наиболее выгодны акриловые ФПК.

Процесс изготовления моделей методом QuickCast не имеет принципиальных отличий от рассмотренных выше методов. Но следует уделить внимание некоторым тонкостям [12], связанным с усложнением внутренней структуры модели:

–предусмотреть технологические отверстия для слива ФПК;

–подпорки отделять горячим ножом, чтобы не повредить тонкие стенки модели;

–учитывать тот факт, что дополимеризация модели QuickCast осуществляетсяпримернона25 % быстрее, чемобычноймодели, ит. д.

37

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Лазерная стереолитография – технология послойного изготовления трехмерных объектов из жидких фотополимеризующихся композиций / А.Н. Антонов, А.В. Евсеев, С.В. Камаев и др. // Оптическая техника. 1998. № 1 (13). С. 5–14.

2.Комплекс ускоренного производства отливок на основе метода лазерной стереолитографии / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, И.Е. Малов и др. // Технология машиностроения. 2002. № 6. С. 3–7.

3.Использование лазеров с полупроводниковой накачкой в технологии быстрого прототипирования / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, И.Е. Малов и др. // Материалы конф. «Производственные технологии–

2002». 2002. С. 38–39.

4.Shoji Maruo, Koji Ikuta. Submicron stereolithography for the production of freely movable mechanisms by using single-photon polymerization // Sensors and Actuators. 2002. A 100. P. 70–76.

5.Семешин Н.М., Коцюба Е.В. Принципы проектирования программного обеспечения для технологии оперативного изготовления трехмерных объектов // Оптическая техника. 1998. № 1 (13). С. 22–27.

6.Создание интерактивной системы обработки графической информации в машиностроении (основные концепции) / Е.П. Велихов, Ю.С. Бетелин, Ю.С. Вишняков и др. М.: НИИТАВТОПРОМ, 1984.

7.Изготовление пластиковых копий трехмерных объектов по томографическим данным / С.С. Абрамов, Н.И. Болдырев, А.В. Евсеев и др. // Оптическая техника. 1998. № 1 (13). С. 45–49.

8.Геометрические проблемы лазерной стереолитографии и подготовка данных для установки лазерной стереолитографии / Е.В. Аристова, С.В. Митин, А.В. Евсеевидр. // Оптическаятехника. 1998. №1 (13). С. 28–32.

9.Васильев В.А. Автоматизация процесса подготовки моделей для быстрогопрототипирования// Литейноепроизводство. 2004. №4. С. 24–25.

10.Васильев В.А., Морозов В.В., Максимов Н.М. Теория и технология из-

готовленияотливокметодомRP // Литейноепроизводство. 2004. №4. С. 5–8.

11.Васильев В.А., Морозов В.В. Изготовление отливок методом выжиганияпофотополимерныммоделям// ЛитейщикРоссии. 2003. №9. С. 30–31.

12.Jacobs Poul F. Stereolithography and other RP&M Technologies from Rapid Prototyping to Rapid Tooling. New York. 1996. С. 183.

38

Учебное издание

Илья Евгеньевич Малов Игорь Николаевич Шиганов

Основы послойного синтеза трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии

Редактор С.А. Серебрякова Корректор Л.И. Малютина

Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой

Подписано в печать 03.06.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.

Печ. л. 2,5. Усл. печ. л. 2,33. Уч.-изд. л. 2,05.

Тираж 100 экз. Изд. № 25. Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.