babkin_oe_monografiya_3d_maketirovanie

основе дифенилолпропана и инициирующей системы для области УФ-излучения.

Работа35 является ее продолжением – авторы усовершенст-

вовали свою композицию, дополнительно введя в состав диме-

такрилаты на основе бисмалеимидов, что позволило повысить точность размеров прототипов за счет снижения полимеризаци-

онной усадки.

В работе36 предлагается рецептура фоточувствительной ком-

позиции на основе акриловых олигомеров, полимеризующейся под действием излучения длиной волны 380-490 нм, преимуще-

ственно 410 нм, в присутствии инициирующей системы на основе титаноценового и карбонильного соединений, которые дополни-

тельно могут содержать производные бензоина, тиозамещенные кетоны, аминобензофеноны, ацилфосфинсульфиды, тиоксантоны и цианиновые красители. К сожалению, подобная рецептура не-

приемлема для целей оперативного прототипирования, даже при использовании оптимальных длин волн УФ-диапазона вблизи 410

нм скорость фотополимеризации составляет 0,1 мм/3 мин, что делает подобную композицию неконкурентоспособной на рынке современных фотополимеров стереолитографического назначе-

ния.

При введении в состав фотополимеризующихся композиций в качестве основы акриловых олигомеров с уретановыми группа-

__________

35Патент США № 6432607

36Патент США № 6468711

70

ми в олигомерном блоке и метакрилаты37 обеспечивается воз-

можность получения определенных физико-механических харак-

теристик конечных стереолитографических моделей. Однако ис-

пользование уретановых композиций позволяет получать в ос-

новном гибкие модели, тогда как часто стереолитографическая модель должна обладать определенной жесткостью. Гибкие про-

тотипы неудобны для случаев, когда прототипы используются совместно с деталями из конструкционных материалов, например металлических, существенно более твердых, чем уретановый прототип, и способных вызвать нежелательную деформацию по-

датливой пластиковой детали.

Механическая прочность прототипов, особенно ударопроч-

ность, достигается введением в композиции на основе акриловых олигомеров полиметилметакрилата (ПММА). 38,39

Вообще, доказано, что введение в композицию полиметил-

метакрилата не только влияет на прочностные характеристики готового изделия. Введение микродобавок полиметилметакрила-

та (ПММА) к композициям на основе акриловых олигомеров рез-

ко увеличивают скорость фотополимеризации без значительного изменения вязкости композиции. Эффект наиболее отчетливо проявляется при использовании 0,2÷0,8 мас.% ПММА.

Ниже этого предела увеличение скорости недостаточно для реализации метода лазерной стереолитографии, а при более высо-

__________

37Патент США № 7211368

38Патент США № 6462129

39Патент США № 6486234

71

ком содержании полимера сильно повышается вязкость компози-

ции, что препятствует растеканию жидкости в рабочей емкости и снижает производительность процесса.

К слову сказать, фотополимеризующиеся композиции из полимеризационноспособных олигомеров и низковязких актив-

ных разбавителей (исключительно акриловых, а не метакрило-

вых, производных) являются стандартным решением для компо-

зиций УФ-диапазона.40 Они обладают достаточной фото-

чувствительностью для целей оперативного прототипирования изделий произвольной формы в условиях лазерной 3D стереоли-

тографии с использованием экономичных и малогабаритных ла-

зеров с длиной волны 530 нм, но не могут применяться, напри-

мер, при изготовлении изделий биомедицинского назначения, так как все полимеризующиеся компоненты композиции (диакрилат гександиола или триакрилаттриметилолпропана и лолпропана и этоксилированный диакрилат дифенилолпропана) относятся к умеренно опасным соединениям (3 класс опасности по ГОСТ

12.1.007). В то время как предлагаемые к использованию метак-

рилаты41-45 относятся к малоопасным соединениям (4 класс опас-

ности по ГОСТ 12.1.007). Кроме того, метакриловые аналоги имеют меньшую вязкость и более высокие прочностные характе-

__________

40Патент РФ № 2244335

41Патент РФ № 2127444

42Патент РФ № 2395827

43Патент РФ № 2057092

44Патент США № 6432607

45Патент США № 6468711

72

ристики опасности по ГОСТ 12.1.007). Кроме того, метакриловые аналоги имеют меньшую вязкость и более высокие прочностные характеристики получаемых изделий. В работах46-48 рассмотрены базовые основы составления фотополимеризующихся компози-

ций для целей оперативного прототипирования с использованием излучения длиной волны 410 нм. В частности, рассмотрены зако-

номерности поведения отдельных составляющих композиции

(олигомеры, мономеры, фотоинициаторы) и их влияние на такие характеристики процесса, как скорость полимеризации, полиме-

ризационная усадка, а также прочность образующегося изделия.

Показано, что по выбранным критериям реакционной способно-

сти и полимеризационной усадки наиболее предпочтительным оказалось использование в качестве олигомера ароматических уретановых акрилатов с молекулярной массой ~ 2000 и функцио-

нальностью 3. Несмотря на нестойкость подобных соединений к длительному воздействию света (пожелтение в процессе некон-

сервационного хранения) они обладают широким спектром свойств: стойкость к царапинам, гибкостью и высокой реакцион-

ной способностью.

Также показано, что выбор в качестве олигомера высоко-

функциональных ароматических уретановых акрилатов требует

__________

46Исследование возможности использования голографических изображений при создании 3D моделей методом фотополимеризации: отчет о НИР в 2 ч. / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 44с.; 27 с; илл., прил.

47Создание и практика применения полимерных композитных материалов: отчет о НИР / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 153 с.; (разд.1) ; илл., прил.

48Разработка фотополимерной композиции для 3D макетирования изделий: отчет о НИР / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2013. – 34 с.

73

слойного формирования трехмерного объекта в среде жидкой фо-

тополимерной композиции.

Достаточно серьезным вопросом до сих пор остается полу-

чение цветных фотополимерных прототипов, не требующих до-

полнительной покраски. В предлагаемом на сегодняшний день ассортименте материалов предлагается использование 18 цветов для принтеров, работающих по FDM-технологии; в технологии

SLA по-прежнему работают всего два цвета – серый и синий, в

основном же предлагается получение прозрачных и полупро-

зрачных моделей.

Сложность с цветностью стереолитографических компози-

ций определяется ограничением по использованию пигментов,

способных существенно снизить степень полимеризуемости ком-

позиции при введении их в композицию. Процесс отверждения может замедляться или вообще не протекать в пигментированных композициях вследствие того, что большинство применяемых пигментов поглощает УФ-лучи в той же спектральной области,

что и фотоинициаторы. Кроме того, важную роль в процессе по-

лимеризации наполненных композиций играют природа пигмен-

та, а также его размеры и форма.

Попытке решения этого вопроса, в частности, изучению воз-

можности использования в фотополимеризующихся композициях минеральных и органических пигментов, выявлению концентра-

ционных зависимостей изменения эффективности процесса по-

лимеризации для различных пигментов, выработке рекомендаций по использованию пигментов различной природы для получения

75

жидких фотополимеризующихся композиций посвящен ряд оте-

чественных разработок 49-52.

__________

49Бабкин, О.Э. Пигментированные индустриальные покрытия УФ-отверждения [Текст] / О.Э.Бабкин, Л.А. Бабкина, М.А. Максимова, О.И. Соколова // Тезисы XIV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии 2012». – Тула, 2012. – 566 с. – С. 381.

50Максимова, М.А. Рецептурные особенности эмалей УФ-отверждения [Текст] / М.А. Максимова, О.Э. Бабкин, Л.А. Бабкина, А.Г. Есеновский, С.В. Проскуряков // Лакокрасочные материалы и их применение, 2012. – № 6. – С. 56-59.

51Бабкин, О.Э. Особенности пигментирования композиций УФ-отверждения [Текст] / О.Э. Бабкин, Л.А. Бабкина, М.А. Максимова, А.Г. Есеновский, С.В. Проскуряков // Материалы Пятой Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» (24-30 сентября 2012 г. СПб-Хилово. - СПб: изд-во СПбГТИ (ТУ), 2012. – 316 с. – С. 180-181.

52Соколова, О.И. Влияние природы пигмента на реакционную способность эмалей УФотверждения [Текст] / О.И. Соколова, М.А. Максимова, О.Э. Бабкин // Сборник материалов I Международной научно-практической конференции. Под общ. ред. С.С. Чернова. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2012. – 229 с. – С.139-142.

76

§ 4. Проекты и перспективы развития

Проект RepRap

Проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper, самовоспроиз-

водящийся механизм для быстрого изготовления прототипов) –

инициативный проект, стартовавший несколько лет назад и на-

правленный на создание самокопирующегося аппарата, предна-

значенного для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства.

В первую очередь, задачей проекта стояло создание бюд-

жетной модели, должной стать альтернативой промышленным дорогостоящим 3D принтерам, цена которых на рынке доходит до $100,000 без учета комплектации материалами, а средняя стоимость фотополимера в стандартной упаковке составляет сей-

час $250÷$300 / 1 галлон (3,8 л). Стоимость композитных мате-

риалов на основе гипса или керамики колеблется в более низком стоимостном диапазоне, но двухтрехкратная дешевизна основ-

ного материала перекрывается стоимостью дополнительных

(фиксирующие составы, закрепители, материалы поддержек и т.д.).

Правда, авторы позиционировали и более глубокие задачи,

скорее философского содержания, например, развитие тенденции самокопирования (имелось в виду самостоятельное макетирова-

ние авторских изделий, а оно, по мнению авторов, имея вирусный характер, должно будет породить эволюцию развития, например,

77

в рекламе и авторском дизайне).53

По сути, проект представляет собой разработку аппарата

(3D принтера) с общедоступными наработками, который позво-

лит пользователю по авторской или скаченной из общедоступно-

го в Интернете портала цифровой модели прототипа самостоя-

тельно получить изделие без необходимости создания дополни-

тельной производственной инфраструктуры. Предполагалось да-

же, что проект станет одной из «прорывных технологий», срав-

нимой с появлением на рынке персональных компьютеров.

Фактически, идеологи проекта предлагают создание малой

«настольной» производственной системы, позволяющей незави-

симо от местоположения производить продукцию, например, по-

вседневного обихода в свободной спецификации, что должно значительно снизить время для инноваций в развитии товара и расширении его ассортимента, чего не может себе позволить за-

водское производство. Особым условием проекта является конст-

руирование (самокопирование) аппарата: пользователь получает комплектацию аппарата и софт, самокопирует детали для сборки своего личного аппарата и затем передает комплектацию друго-

му. Эксплуатация аппарата в дальнейшем зависит только от творческой мысли его обладателя: дизайн, сувениры, одноразовая посуда, предметы домашнего обихода личного пользования или для продажи – границы применимости собранного аппарата оп-

ределяются только размерами рабочей камеры и материалом для

__________

53 [Электронный ресурс]: режим доступа – http://reprap.org

78

выбранной технологии прототипирования.

Проект RepRap был основан в 2005 г. Адрианом Боуером

(Великобритания), в том же году было получено финансирование для начальных разработок от Совета по инженерным и естест-

веннонаучным исследованиям Великобритании (Engineering and Physical Sciences Research Council). Уже к сентябрю 2006 г. аппа-

рат «RepRap 0.2» напечатал первую деталь, которая впоследствии была использована для замещения идентичной детали его же конструкции, изначально созданной коммерческим трёхмерным принтером.

Аппарат «RepRap 1.0 Darwin» использовал в качестве моде-

лирующего материала 3-мм поликапролактоновую нить (матери-

__________

54 Фотография [Электронный ресурс]: режим доступа – http://reprap.org

79