12.2.1. Стереолитография

В конце 70-х - начале 80-х гг. XX в. А. Герберт из корпорации ЗМ в Миннеаполисе, X. Кодама из Исследовательского института префектуры Нагоя в Японии и К. Халл из корпорации Ultra Violet Products (UVP) в Калифорнии независимо друг от друга работали над идеями быстрого прототипирования, основанными на избирательном отверждении поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно наложенных слоев. Герберт и Кодама прекратили работу из-за недостатка финансирования, так и не сумев разработать коммерческий продукт. Халл благодаря стабильной поддержке от UVP разработал систему, способную автоматически изготавливать детали сложной формы. Халл ввел в обращение термин стереолитография (stereolithography) и в 1986 г. основал корпорацию 3D Systems, которая начала производить стереолитографические аппараты (stereo lithography apparatus - SLA).

Процесс изготовления детали изображен на рис. 12.1, а и протекает следующим образом.*

1.Фоточувствительный полимер, затвердевающий на свету, поддерживается в жидком состоянии.

2.На толщину одного слоя ниже поверхности жидкого полимера располагается платформа, способная двигаться в вертикальном направлении.

3.Ультрафиолетовый лазер сканирует слой полимера над платформой, отвер-ждая полимер по форме соответствующего поперечного сечения. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.

б

Рис. 12.1. Стереолитография: а - процесс; б - аппарат SLA-3500 от 3D Systems (с разрешения 3D Systems, Inc.)

4.Платформа опускается в ванну с полимером на толщину одного слоя, давая полимеру растечься по поверхности детали для начала нового слоя.

5.Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет наращен верхний слой детали.

6.Для полного затвердевания детали выполняется окончательное отверждение. Этот шаг необходим, поскольку в каждом слое могут еще оставаться жидкие участки. Так как лазерный луч имеет конечные размеры, сканирование каждого слоя аналогично закрашиванию некоторой фигуры тонкой цветной ручкой.

Реальный аппарат для стереолитографии показан на рис. 12.1, б.

Стереолитография наиболее популярна среди процессов быстрого прототипирования и изготовления, и ее интерфейс с твердотельной моделью стал стандартом для других процессов. Однако она требует создания поддерживающих структур, если деталь имеет вырезы внизу, то есть верхнее поперечное сечение детали имеет большую площадь, чем нижнее (рис. 12.2). Изготовленная методом стереолитографии крыльчатка изображена на рис. 12.3. Более подробно процесс стереолитографии будет описан далее.

Угловое соединение а

Островок

б

Потолок с аркойПотолок

вг

Рис. 12.2. Поддерживающие структуры в стереолитографии

Рис. 12.3. Крыльчатка, изготовленная методом стереолитографии

12.2.2. Отверждение на твердом основании

В процессе отверждения на твердом основании (solid ground curing, SGC) каждый слой отверждается путем экспонирования ультрафиолетовой лампой, а не сканирования лазерным лучом. Таким образом, все точки слоя затвердевают одновременно и окончательное отверждение не требуется. Типичный процесс отверждения на твердом основании имеет место в системе Solider от Cubital Israel, работа которой происходит так.

1.По данным геометрической модели детали и желаемой толщине слоя рассчитывается поперечное сечение каждого слоя.

2.Для каждого слоя изготавливается оптическая маска по форме соответствующего поперечного сечения.

3.После выравнивания (рис. 12.4, а), платформа покрывается тонким слоем жидкого фотополнмера (рис. 12.4, б).

Заполнение пустот

а

Рис. 12.4. Система Solider

i Над поверхностью жидкой пластмассы помещается маска, соответствующая текущему слою, и пластмасса экспонируется светом мощной ультрафиолетовой лампы (рис. 12.4, е). Обратите внимание, что процесс начинается с маски, соответствующей нижнему слою.

5. Оставшаяся жидкость удаляется с изделия аэродинамическим wiper (рис. 12.4, г).

Изделие покрывается слоем жидкого воска, который заполняет пустоты (рис. 12.4, д). Затем к воску прикладывается холодная пластина, и он затвердевает.

1 Слой стачивается до желаемой толщины с помощью шлифовального диска (рис. 12.4, е).

8.Готовая часть изделия покрывается тонким слоем жидкого полимера, и шаги 4-7 повторяются для каждого последующего слоя, пока не будет обработан самый верхний слой.

9.Воск расплавляется и удаляется из готовой детали.

Главным преимуществом отверждения на твердом основании по сравнению со стереолитографией является отсутствие необходимости в поддерживающих структурах. Это обусловлено тем, что пустоты заполняются воском. Кроме того, благодаря использованию света лампы вместо лазерного луча исключается операция окончательного отверждения. Хотя отверждение на твердом основании позволяет изготавливать детали с большей точностью, чем стереолитография, процесс этот весьма сложен.

12.2.3. Избирательное лазерное спекание

Процесс изготовления детали путем избирательного лазерного спекания, разработанный фирмой DTM (США), протекает следующим образом.

1. Цилиндрическая заготовка помещается на высоте, необходимой для того, чтобы на нее можно было осадить слой порошкового материала желаемой толщины. Порошковый материал, используемый для изготовления прототипа, поступает из подающего цилиндра и наносится выравнивающим валиком (рис. 12.5).

Цилиндрическая заготовка Деталь

Выравнивающий валик Подающий цилиндр

Лазерная оптика и сканирующие зеркала

Луч

СОг-лазера

Рис. 12.5. Избирательное лазерное спекание (с разрешения DTM Corporation)

2.Слой порошка избирательно сканируется и нагревается лучом лазера, вследствие чего частицы слипаются между собой. Просканированные частицы порошка образуют требуемое поперечное сечение. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.

3.Цилиндрическая заготовка опускается на толщину одного слоя для нанесения нового слоя порошка.

4.Луч лазера сканирует новый слон порошка, склеивая его с предыдущим и формируя следующее поперечное сечение.

5.Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан самый верхний слой детали.

6.Для некоторых материалов может понадобиться окончательное отверждение. Поддерживающая структура не требуется, потому что пустоты каждого слоя заполняются необработанным порошком. Более того, в качестве материала для процесса избирательного спекания потенциально может использоваться любой плавкий порошок, даже металлический, если лазер обладает достаточной мощностью. На практике для металлических порошков, частицы которых покрыты термопластическим связующим материалом, используется косвенное спекание. Под лучом лазера связующий материал расправляется и свободно связывает частицы металлического порошка, образуя желаемую форму, которая называется «зеленой деталыо» (green part). В этом случае достаточно, чтобы мощности лазера хватало для расплавления связующего материала. Затем зеленая часть подвергается обработке в печи, в ходе которой связующий материал выжигается, а частицы металлического порошка связываются за счет обычных механизмов спекания. Получившаяся деталь носит название «коричневой детали» (brown part). Без дальнейшей обработки деталь будет довольно пористой из-за наличия пустот, которые ранее занимали частицы связующего материала. Чтобы снизить пористость, в печь помещается еще один материал - инфильтраит. Этот металл расправляется при рабочей температуре печи и проникает в поры детали за счет капиллярного эффекта. Данный метод используется для изготовления форм для литья непосредственно по пх геометрическим моделям. Ресурса таких форм достаточно для изготовления от 2500 до 10 ООО деталей-прототипов.

12.2.4. Трехмерная печать

Разработанный в Массачусетском Технологическом институте процесс трехмерной печати был назван так из-за своей схожести с печатью на струйном принтере. В трехмерной печати вместо чернил используется жидкое связующее вещество. Процесс трехмерной печати происходит следующим образом (рис. 12.6).

1.Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой керамического порошка надлежащей толщины.

2.Нанесенный слой керамического порошка избирательно сканируется печатающей головкой, из которой поступает жидкое связующее вещество, вызывающее прилипание частиц друг к другу. Отсканированные печатающей головкой частицы образуют требуемую форму поперечного сечения. Обратите внимание, что этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения.

3.Платформа опускается на одну толщину слоя, позволяя нанести следующий слой порошка.

4.Новый слой сканируется, образуя следующее поперечное сечение и склеиваясь с предыдущим слоем.

5.Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан верхний слой детали.

6.Для отверждения детали проводится последующая тепловая обработка.

Нанвсение порошкаПечать слояОпускание платформы

Повторение цикла

Промежуточная стадияПоследнийГотовая деталь

слой отпечатан

Рис. 12.6. Трехмерная печать (с разрешения проф. Сакса, MIT)

С помощью трехмерной печати было бы удобно изготавливать формы для литья, поскольку форма изготавливается как цельная деталь, состоящая из оболочки и полостей, и положение полостей относительно оболочки можно было бы задавать точно. Однако формы для литья, изготовленные путем современной трехмерной печати, имеют невысокое качество поверхности.

12.2.5. Ламинирование

В процессе ламинирования (laminated object manufacturing - LOM), коммерциализированном фирмой Helisys, деталь изготавливается путем ламинирования и лазерной резки материалов, поступающих в листовом виде. Слипание листов происходит за счет наличия термоадгезивного покрытия. Процесс протекает следующим образом.

1.Каждый лист приклеивается к заготовке с помощью нагрева и давления, образуя очередной слой. Листовой материал подается в виде непрерывного рулона с одной стороны машины и принимается с противоположной стороны (рис. 12.7). Температуру и давление, необходимые для ламинирования, обеспечивает нагретый валик. Обратите внимание, что когда к стопке приклеивается следующий лист, платформа опускается на толщину одного листа.

2.После того как слой (лист) приклеен, он сканируется лазером вдоль контуров текущего поперечного сечения. Обычно для этой цели используется лазер на углекислом газе мощностью 25 или 50 Вт. Как и в других процессах, этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения. Обратите внимание, что здесь сканирование производится только по контурам. Это делает данный процесс более эффективным, чем процессы, требующие растрового сканирования.

3.Области слоя, выходящие за пределы контуров, штрихуются лазером (то есть рассекаются на маленькие кусочки, называемые черепичками (tiles), для последующего удаления, когда деталь будет закончена).