Методами послойного синтеза могут быть получены детали практически неограниченной конструктивной сложности. Для их изготовления используются новейшие материалы и специализированное оборудование – автоматизированные установки послойного синтеза. Дизайнеры могут практически сразу получить в руки физическую модель будущей детали, воплощенную в материале.  

Скорость и точность послойного синтеза, толщина формируемых слоев определяются принципом действия и техническими возможностями соответствующих установок. Каждая из них имеет свою сферу применения, преимущества и недостатки. 

Послойное формообразование изделий может осуществляться из разных материалов, которые могут находиться в различном агрегатном состоянии. В настоящее время для изготовления изделий методом послойного синтеза используются жидкие фотополимеризуемые композиции, полимерные, керамические и металлические порошки, полимерные гранулы и нити, тонколистовые заготовки из бумаги, пленки или фольги.

Технологии послойного синтеза

 

Характерной общей особенностью принципа работы установок послойного синтеза является наличие CAD-интерфейса и использование для генерации управляющей программы формата .STL-файла. В настоящее время .STL-файл является универсальным форматом для ввода исходных данных о геометрии изготавливаемого изделия в установку . Можно выделить следующие основные этапы изготовления прототипов на установках послойного синтеза:

 

1. После создания в САПР 3D-модели будущего изделия осуществляется разработка STL-файла. Объемная геометрическая модель  представляется в виде сетки конечных элементов-треугольников (метод триангуляции).  Внешние и внутренние поверхности 3D-модели описываются множеством треугольников (имеющих сопредельные стороны), каждый из которых задается координатами вершин ( X, Y, Z ) и вектором нормали n, направленным из тела модели. Хранение данных о геометрии детали в формате STL-файла позволяет существенно уменьшить требуемые объемы памяти на жестком диске в связи с компактностью данного формата;

 

2. Производится выбор наиболее рационального расположения изготавливаемой детали (зачастую сразу нескольких) в рабочей зоне установки. В случае необходимости (навесные элементы, поверхности сложной кривизны и т.п.) осуществляется генерация и редактирование поддерживающих элементов. В одних методах использование поддержек является обязательным в силу технологических особенностей, в других - использование поддержек не предусмотрено;

 

3. Специальное программное обеспечение установок, используя входные данные .STL-файла, разбивает компьютерную 3D-модель на ряд плоских параллельных сечений малой (0.05 – 0.5 мм) толщины. Достижимые миинимальные (высокая точность, низкая производительность) и максимальные (высокая производительность, пониженная точность) толщины слоев обусловлены принципом работы и техническими возможностями установок послойного синтеза; 

 

4. На основе обработанной информации контроллер установки осуществляет генерацию управляющей программы (G-code), согласно которой установка последовательно, сечение за сечением, в автоматическом режиме воспроизводит

(послойно "выращивает") реальную деталь или группу деталей. Инструментом формирования сечений детали в плоскости X-Y может выступать управляемый луч лазера или электронов, световой поток, экструдируемые расплавы полимеров (также в сочетании со световым воздействием), последовательное послойное формообразование по координате Z осуществляется посредством вертикального перемещения технологической платформы установки, в рабочей зоне которой располагается деталь и которая также управляется программой.

Лазерная стереолитография

 

 

В основе метода лазерной стереолитографии лежит принцип последовательного сканирования тонких слоев (0,05-0,25 мм) жидкой фотополимеризуемой композиции (ЖФПК) лучом 

ультрафиолетового лазера, управляемого программой компьютера. 

Формообразование объемной детали осуществляется путем послойной фотоинициированной полимеризации ЖФПК под воздействием лазерного излучения. 

Производительность процесса возрастает вместе с ростом мощности излучения, увеличением быстродействия системы сканирования лучом, по мере повышения фоточувствительности (активности) и светопроницаемости ЖФПК.

Достоинством метода лазерной стереолитографии является возможность быстрого изготовления деталей практически неограниченной конструктивной сложности, наиболее высокая среди разработанных методов RP&M точность формообразования, оптическая прозрачность и высокие физико-механические характеристики получаемых изделий.
К недостаткам можно отнести необходимость выращивания специальных поддержек для фиксации нависающих элементов, необходимость их последующего ручного удаления, дополнительная механическая зачистка поверхности,  жесткие требования к помещению, в котором размещается лазерная стереолитографическая установка. Лазерная стереолитография - один из наиболее дорогостоящих в плане аппаратурного обеспечения методов.

Масочная стереолитография

 

 

Особенностью этой технологии является использование для полимеризации каждого слоя детали индивидуальной маски (аналогичной фотошаблону), через которую ЖФПК облучается некогерентным источником электромагнитного излучения (ультрафиолетовой лампой). Каждая маска соответствует определенному поперечному сечению изделия и является для него негативом в ультрафиолетовом свете. Маски создаются под управлением компьютера непосредственно на установке на прозрачной для УФ-излучения пленке или пластине, причем материал-носитель маски используется многократно. Фотошаблоны поочередно вводятся в поток УФ-излучения параллельно поверхности ЖФПК. В результате ее послойной фотополимеризации осуществляется формообразование объемной детали. 

Таким способом могут изготавливаться не только модели отдельных деталей, но и целые подвижные механизмы. Преимуществом SGC-технологии является возможность временной приостановки процесса в любой момент (это актуально, когда нужно удалить дефектные слои или загрязнения). При синтезе модели не требуется выращивание подпорок (каждый слой после отверждения заливается жидким воском, который затем затвердевает по всей плоскости слоя), благодаря чему не требуются последующая механодоработка модели. Однако данный метод очень сложен в аппаратурном оформлении, требует постоянного контроля со стороны оператора.

В настоящее время он не имеет особых перспектив в развитии, т.к. в 2009 г. компания 3D Systems разработала альтернативную технологию проекционной стереолитографии ("формирования пленочного слоя путем переноса изображения"), обладающую высокой производительностью, автономностью, точностью формообразования.

Управляемый лазерный раскрой

 

 

Материалом для изготовлениядеталей служит смотанная в рулон бумага (или пленка) с предварительно нанесенным клеевым слоем. Объемное твердое тело создается путем последовательного соединения тонких слоев бумаги, которые по контуру детали вырезаются лучом лазера, формирующим конфигурацию поперечного сечения детали в данном слое. Каждый новый слой прикатывается к предыдущему с помощью специального ролика, нагретого до определенной температуры, и склеивается с ним, таким образом обеспечивается целостность и монолитность детали. Одновременно с моделью – “позитивом” создается форма – “негатив”, которая поддерживает модель при изготовлении и может быть использована в дальнейшем при изготовлении формообразующей оснастки. Поскольку при раскрое листового материала луч лазера “прочерчивает” только контуры поперечных сечений детали, а не сканирует по всей их площади (как в случае лазерной стереолитографии или селективного лазерного спекания), то появляется возможность физической реализации компьютерной модели изделия, с наибольшим быстродействием и габаритными размерами.

Достоинствами данной технологии являются простота эксплуатации оборудования и его доступность по цене (LOM – установки наиболее дешевые среди промышленного оборудования послойного синтеза), возможность механической обработки изготовленных деталей (сверление отверстий, полирование поверхности), их окрашивания, склейки с другими частями для получения больших габаритов, низкая стоимость расходных материалов по сравнению с другими модельными материалами, удовлетворительная прочность изделий.

К недостаткам можно отнести невозможность получения тонких стенок (менее 3-х мм), малых ребер и мелких элементов, относительно невысокое качество поверхности, необходимость защиты изготовленных изделий от воздействия влаги (например, покрытие лаком). . К тому же , в отличие от других безотходных технологий послойного синтеза, LOM-процесс сопровождается получением отходов, которые необходимо убирать и брикетировать в автоматическом режиме, а затем утилизировать. 

Селективное лазерное спекание

 

 

Достоинства данного метода заключаются в низкой стоимости используемых материалов. Отсутствует необходимость построения поддерживающих элементов. Полученная деталь-прототип обладает всеми свойствами монолитного материала (теплостойкостью и упругостью пластмассы, жесткостью и прочностью металла, жаростойкостью спеченной керамики), она может напрямую использоваться для механических и других видов испытаний, что значительно расширяет сферу применения изделий, изготовленных на установках лазерного спекания порошков.

К недостаткам можно отнести невозможность выращивания стенок малой (<0.5 мм) толщины, относительно низкое качество поверхности изготавливаемых изделий.

Селективное лазерное плавление

 

 

Метод селективного лазерного плавления
представляет собой процесс послойного сплавления металлических порошковых
материалов, частицы которых связываются между собой путём их термического проплавления при помощи сфокусированного
лазерного излучения. Лазерный луч движется в каждом слое по определённой траектории в соответствии с алгоритмом программы формообразования. Данная технология позволяет создавать уникальные изделия с внутренней полой структурой (например, теплообменники со сложной системой каналов охлаждения различной формы), литейную оснастку для создания корпусов новых двигателей, насосов и пр., фильтрующие элементы с сетчатой структурой, размер ячеек которой определяется размером гранул порошкового материала.

Управляемое экструдирование термопластов

 

 

Принцип действия установок послойного синтеза деталей из термопластичных полимеров основан на последовательном выращивании слоев из заранее разогретого до вязкотекучего состояния полимера (АБС, полиамида, ПММА, литейного воска).

Суть метода заключается в подаче полимерной нити в специальную экструзионную головку, разогреве материала нити до температуры плавления и его выдавливании

(осаждении) тонкими слоями на технологической платформе по заданной компьютером программе.

Полимерная нить, из которой производится изготовление модели подается в рабочую головку с катушки (диаметр нити 1,7-2,5 мм). Фильера, установленная на координатографе X-Y, совершает перемещения по заданной траектории, технологическая платформа, на которой производится выращивание модели перемещается по оси Z.

Расплавленный полимер затвердевает сразу, как только выдавливается из экструзионной головки и соприкасается с более холодной поверхностью предыдущего слоя, что обуславливает точность затвердевания материала в месте нанесения . Данный метод позволяет получить толщину слоев от 0.1 до 0.80 мм. Последовательное соединение слоев друг с другом и формирование объемной модели происходит по принципу контактной сварки пластмасс оплавлением. 

Преимущества данного метода - в низкой стоимости изготовления прототипов и возможности получения моделей, обладающих всеми свойствами будущих изделий. К недостаткам необходимо отнести относительно низкое качество поверхности и меньшую по сравнению с отдельными методами RP&M точность формообразования.

Методы многоструйной 3D-печати

 

 

Многоструйная головка (сопла ориентированы в линейный массив)  в соответствии с управляющей программой компьютера осуществляет поступательное (вперед-назад) движение по оси X и наносит микроструи расплава специального термопластичного полимера (или воска), которые почти мгновенно затвердевают (головка дозирует материал с очень высокой точностью, каждое сопло открывается отдельным электрическим сигналом и мгновенно выдает небольшую порцию материала), одновременно совершает синхронное передвижение по оси Y платформа с деталью. 

Таким образом, подобно тому, как это происходит в струйном принтере, “прорисовывается” слой детали, соответствующий форме ее поперечного сечения. Когда очередной слой пострен, платформа опускается на малое расстояние по оси Z, и начинается формирование следующего слоя. Если изготавливаемая  деталь имеет размеры  большие, чем габариты головки, то платформа дополнительно перемещается относительно  “печатающей” головки на необходимое расстояние. Процесс продолжается до тех пор, пока не закончится формообразование трехмерного объекта заданной конфигурации.  Данный метод характеризуется достаточно высокой точностью, производительностью, экологичностью, относительно низкой себестоимостью, изготовленный прототип обладает свойствами, идентичными будущему серийному изделию.

Также существует разновидность технологии многоструйной 3D-печати (Polyjet Matrix), в которой в одном процессе объединены управляемое экструдирование термопластичных фотополимеров с последующим световым воздействием на них излучением   УФ-лампы, встроенной в единый блок с экструзионной головкой. В процессе светового облучения слоев фотополимера происходит их затвердевание (УФ-инициированная фотополимеризация).

TROPOSPHERE 

3D Project

© 2013 TROPOSPHERE 3D project  |  СИНТЕЗ ПРИРОДЫ ВЕЩЕЙ  |  Все права защищены

   ВСЁ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ: Технологии | Оборудование | Материалы | Услуги
 
  • продвижение на рынке РФ передовых решений в области быстрого прототипирования и оперативного производства
  • популяризация уникальных технологических возможностей 3D печати | области эффективного прикладного применения
  • консультации при выборе 3D принтеров по целевому назначению | профессиональные рекомендации и советы
  • оказание услуг 3D печати: визуализация и концептуальный дизайн | функциональные прототипы | мастер-модели