Промышленное применение лазеров

4.3.5. Лазерная стереолитография

На основе фотоинициированной лазерным излучением полимери­ зации разработана технология лазерной стереолитографии, реализующая принцип формирования трехмерных объектов по их компьютерным мо­ делям путем послойного наращивания материала (см. в следующем раз­ деле). Создан тииоряд установок для лазерной стереолитографии, освоен их выпуск опытным производством ИШ1ИТ РАН.

4.4. Технологии быстрого прототипирования

При разработке и производстве продукции в условиях жесткой конкуренции на мировом рынке появляется необходимость постоян­ ного обновления выпускаемых изделий при сокращении времени и средств на их разработку, возрастает сложность конструкции изде­ лий для получения нового качества, возникает необходимость опера­ тивного конструирования и изготовления ряда прототипов объектов для выбора оптимального варианта разработки, требуется производст­ во небольших партий продукции, а также оперативное реагирование на изменяющиеся запросы потребительского рынка. С начала 80-х гг. интенсивно развиваются методы формирования изделий не удалением материала (фрезерованием, электроэрозионной обработкой) или изме­ нением формы заготовки (штамповкой, прессованием), а постепенным наращиванием материала или изменением фазового состояния веще­ ства в заданной области пространства. В настоящий момент значи­ тельное развитие получил метод послойного формирования трехмер­ ных объектов по их компьютерным образу, получивший название бы­ строго прототипирования {Rapid Prototyping) или настольного производства {DeskTop Manufacturing).

Одним из основных недостатков изготовления моделей, осо­ бенно металлических, является длительность технологического про­ цесса. Поэтому в конце 1980-х гг. ведущие промышленные фирмы стали использовать концепцию CM {Compact Intelligent Manufacture)

компактного интеллектуального проектирования и новые технологии

быстрого прототипирования RP (Rapid Prototyping), основанные на использовании компьютеров и технологических лазеров.

В настоящее время существует большое число методов быстро­ го прототипирования. Для технологов-литейщиков представляют интерес такие новые технологии, как лазерная стереолитография SLA (Stereo Litografi Apparatus), селективное лазерное спекание SLS (Selective Laser Sinerung), нанесение слоев ламинированного мате­ риала LOM (Laminatet Object Manufacturing) и изготовление прото­ типов из легкоплавких материалов FDM (FusedDeposition Modeling).

Развитие вычислительной техники, способной оперировать трех­ мерными образцами, а также успехи, достигнутые в разработке и освое­ нии пучковых (в том числе и лазерных) технологий обработки материа­ лов стали основой развития технологий послойного синтеза трехмерных объектов практически любой сложности габаритами до 1 м3

Технологии, основанные на методах быстрого прототипирования, работают по следующей схеме: с помощью ЭВМ, используя систему трехмерного геометрического проектирования, создают цифровую гео­ метрическую ЗЭ-модель будущего изделия, затем полученную модель обрабатывают по специальной программе, которая разбивает ее на тон­ кие плоские сечения с шагом 10-5-200 мкм. Таким образом, осуществля­ ют ее описание с помощью плоских контуров сечений (соответствую­ щих каждому слою) и по завершению обработки передают на испол­ няющий технологический модуль. На рис. 4.18 представлена классификация существующих методов быстрого прототипирования.

Можно выделить 3 направления применения методов быстрого прототипирования в литейном производстве.

I направление. Использование прототипов в качестве постоя ных моделей при песчаной формовке, так же как деревянных, эпок­ сидных и металлических. В этом случае от них требуется высокая прочность, точность, низкая гигроскопичность.

Модели, полученные SLA, SLS, FDM-технологиями, отличают­ ся высокой прочностью, негигроскопичны, требуют минимальной дополнительной обработки (шлифования, полировки и т.п.).

Модели, полученные LOM-технологией, гшроскопичны и имеют небольшую точность и прочность (но выше, чем у деревянных). По­ сле доработки и пропитки лаком эти модели могут быть широко ис­ пользованы для песчаной формовки. Возможности LOM-технологии

мость установки, изготовляющей модели, в ] 0 раз дешевле, чем SLА, и можно получать различные по габаритам модели. Еще одно приме­ нение LOM-моделей предложено фирмой МСР Crout: на поверхность модели плазменным напылением наносят металлическое покрытие толщиной 1,5-КЗ,2 мм. Модель можно использовать для изготовления пресс-форм, форм для литья штампов и т.п.

II направление. Использование быстрого прототипирования целесообразно для изготовления стержневой оснастки, форм для вы­ полнения восковых моделей, многоразовых форм для литья легко­ плавких сплавов и т.п. Здесь наибольшие возможности имеет SLS-технология.

III направление. Изготовление одноразовых моделей для литья по выплавляемым либо выжигаемым моделям - это SLA- и FDMтехнологии.

Компания RAPID Technologies продвигает на российский рынок современные методы и технологии быстрого прототипирования и тиражирования.

Укрупнено все технологии быстрого прототипирования приня­ то относить к методам, основывающимся на добавлении материала (в отличие от классической механообработки). Технологии принято подразделять по типу расходных материалов (жидкие, порошкооб­ разные и листовые твердотельные).

Процессы, использующие жидкие расходные материалы, под­ разделяются, в свою очередь, на процессы отвердения посредством контакта с лазером, отвердения элсктрозаряженных жидкостей или отвердения предварительно расплавленного материала.

Процессы, использующие порошкообразные материалы, осу­ ществляют скрепление частиц посредством воздействия лазером или выборочного нанесения связующих компонентов.

Каждая из описанных ниже технологий имеет свои особенности и обладает преимуществами и недостатками при решении конкрет­ ных задач.

4.4.1. Технология нанесения слоев лам инированного

материала LO M (L am inated O bject M anufacturing)

Лидером в изготовлении моделей на основе раскроя листового материала с последующим спеканием является фирма Helisys Inc (Tor­ rance, California, USAЛ которая в 1986 г. получила патент на техноло­ гию и оборудование и с 1991 г. приступила к реализации своих систем.

Сущность формообразования при использовании LOM-техно­ логии заключается в том, что последовательно наносится слой лами­ нированной с одной стороны бумаги (рис. 4.19).

Способность LOM-процесса работать практически с любым листовым материалом позволяет использовать не только бумагу, но и пластмассы, полимерные композиты, металлы, керамику и даже хматричные керамические композиты. Луч лазера (ССЬ-лазер мощно­ стью в луче 20+200 Вт) вырезает на глубину листа необходимый контур (сечение). Затем сверху него протягивается новый лист бума­ ги, который прижимным подогретым валиком приклеивается к пре­ дыдущему слою. Стол, перемещаясь по вертикали, формирует высо­ ту модели. После построения всех сечений на листах бумаги получа­ ется «брикет» с моделью внутри, который извлекают из установки

ис помощью лопаток и стамесок отделяют лишние части (подпорки)

иосвобождают модель. После предварительной обработки модель шлифуют и пропитывают лаком, в результате чего поверхность при­ обретает шероховатость - 10 мкм, а модель по внешнему виду напо­ минает изделие, изготовленное из дерева.

б

Рис. 4.19. Технология нанесения слоев ламинированного материала LOM:

а- принципиальная, схема LOM-процесса;

б- типовые модели, полученные с применением LOM-

технологии

Затем неровности по линии реза удаляются вручную. Поверх­ ность получаемого изделия (модели) шлифуют и покрывают лаком.

На LOM-модели можно плазменным напылением нанести ме­ таллическое покрытие толщиной 1,5~3Г2 мм, тем самым превратив их практически в металлические.

Эта технология особенно эффективна для изготовления твердо­ тельных деталей и деталей с толщиной стенок более 3 мм. По внешнему виду прототипы (модели), изготовленные по этой технологии, напоми­ нают деревянные, но по физическим характеристикам превосходят де­ рево и применяются в металлургическом производстве для получения оснастки (литье в землю, литье по выплавляемым моделям).

Достоинством метода является большая производительность процесса и дешевый материал, чго обеспечивает популярность этого метода. При этом можно использовать исходный листовой материал с толщиной 5(Н400 мкм. Полученные модели обрабатываются анало­ гично моделям из дерева.

Преимущества процесса - в наличии широкого спектра относи­ тельно недорогих исходных материалов. Один из наиболее популяр­ ных материаловбумага. Прототипы, изготавливаемые по этому процессу, имеют самые большие линейные размеры среди изделий, изготовленных по технологиям других типов. Также велика и ско­ рость изготовления изделия: в 5-40 раз быстрее, чем по другим тех­ нологиям. Точность процесса: ±127 мкм.

Изготовленные модели без обработки имеют точность, соответ­ ствующую 13-44 квалитетам.

Недостатком данной технологии является гигроскопичность моделей.

К недостаткам процесса относится ступенчатость получаемых поверхностей, что требует дополнительной обработки изделия, кро­ ме того, существуют проблемы с удалением материала из внутрен­ них полостей, а также большое количество отходов при изготовле­ нии объектов-прототипов.

Установка LOM1015 позволяет получать детали габаритными размерами до 381x254*355 мм, точность позиционирования лазера ±0,25 мм. Прототипы с большими габаритными размерами изготав­ ливаются по частям с последующей сборкой. При этом гарантирует­ ся соответствие собранной детали конструкторской документации.

Существуют установки с размером рабочей камеры 560*810*500 мм.

Изготовленные модели гигроскопичны, имеют большую проч­ ность, чем деревянные модели, но меньшую, чем SLA-модели. Мо­ дели LOM-технологии .могут быть широко использованы (после со­ ответствующей пропитки) для изготовления песчаных форм, тем бо­ лее что установки LOM-технологии, по крайней мере, в 10 раз дешевле, чем SLA-установки.

4.4.2. Л азерная стереолитография SLA

(Stereo Lithograph Apparatus)

Впервые метод был запатентован Халлом в 1986 г., а первая уста­ новка SLA-1 продана в 1987 г. В настоящее время фирма 3D Systems Согр. (Valencia, California, USA) владеет патентом на технологию и обо­ рудование для стереолитографии. В установке SLA используется луч диаметром 0,1-И,2 мм фиолетового или ультрафиолетового диапазона гелий-кадмиевого (Ие - Cd), эксимерного или аргонового (Аг3+.)лазера.

Наибольшее распространение получила технология SLA лазер­ ной стереолитографии, по которой производится объемное пластико­ вое изделие послойным отверждением фотополимеризуюшейся ком­ позиции (ФПК) с помощью лазерного луча по трехмерной компью­ терной модели.

Модель строится на платформе, перемещающейся в направле­ нии оси построения моделей (Z) и находящейся внутри ванны с жид­ ким полимером.

Луч лазера по заданной программе последовательно очерчивает на поверхности жидкого полимера контуры слоев, на которые разбита трехмерная модель. Под его воздействием слой фотополимера мгновен­ но полимсризуется (отверждается) и затем опускается в ванну с жидким полимером на толщину затвердевающего слоя (0,1^0,15 мм).

Толщина слоя и поверхность калибруется специальным скреб­ ком - ракелем. Поверхность жидкого фотополимера выглаживают специальной рейкой и процесс повторяется. Синхронно управляя сканированием луча в плоскости XY (горизонтальной) и формируя по

оси Z высоту модели (путем погружения стола с моделью в толщу фотополимерной композиции), получают трехмерную модель.

Далее процесс повторяют для другого сечения трехмерной модели. За последние десятилетия в РФ наряду с более чем десятью за­ рубежными вариантами установок появились аналоги отечественно­ го производства, например лазерная стереолитографическая установ­ ка ЛС-250 ИПЛИТ РАН (г. Шатура). Данные лазерные установки оснащены отечественным программным обеспечением и работают на фотополимерах как импортного, так и российского производства

(рис. 4.20).

Установка предназначена для:

-исследования фотоинициируемой полимеризации;

-послойного изготовления трехмерных объектов;

-изготовления копий трехмерных объектов по томографиче­ ским и видеограмметрическим данным.

Установка оснащена следующим оборудованием: компьютером для подготовки данных, управляющим компьютером, He-Cd-лазером

«Cambridge Technology» с оптической точностью позиционирования 12 мкрад, устройством для перемещения рабочей платформы с диапазоном перемещения 250 мм и точностью ±10 мкм.

Установка позволяет послойно изготавливать трехмерные объекты (рис. 4.21) с размерами до 250x250x250 мм по их компь­ ютерным образцам в STL формате из отверждаемых УФ излуче­ нием He-Cd-лазера жидких фотополимеризующихся композиций.

Полимерные стереолитографические прототипы отливок приме­ няются также для изготовления силиконовых форм, которые затем используются для литья заготовок из цинка и пластмасс, ранее полу­ чаемых литьем под давлением. По данным зарубежных экспертов, ес­ ли на изготовление механически обработанной стальной пресс-формы требуется 3+4 месяца и ее себестоимость составляет 15+40 тыс. руб., то эластичную силиконовую форму можно изготовить менее чем за сутки и она дешевле в 20+30 раз.