Меню Рубрики

Установки для лазерного прототипирования

Технологии быстрого прототипирования

На стадии проектирования изделий массового потребления (от автомашин до упаковки) разработчики сталкиваются с необходимостью визуальной оценки их внешнего вида, правильности конфигураций, собираемости с комплектующими деталями, оценкой возможности сбыта и прочими вопросами. Ответы на них требуют наличия реальной модели (прототипа) изделия, максимально приближенной к своей компьютерной разработке.

ОБЩИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТОТИПОВ

Традиционные способы изготовления моделей трудоемки, обладают низкой точностью и плохой повторяемостью при воспроизведении. Однако современное производство владеет технологиями быстрого прототипирования — RP (Rapid Prototyping) — а значит, эффективными методами и оборудованием для изготовления не только прототипов (единичных изделий), но и опытных партий, особенно если это касается изделий из пластмассы.

Как правило, технология быстрого создания прототипов состоит из двух основных этапов:

  • получение математической 3-мерной (3D) модели изделия,
  • изготовление прототипа изделия одним из методов.

Математическое моделирование. Модели изделия в 3D формате могут быть построены с использованием CAD программ или введены в ПК с оригинала при помощи объемного сканера. После сканирования модель должна быть обработана с помощью какой-либо программы (например, программы CopyCAD в системе Power Solution фирмы DELCAM), чтобы получить законченный вид. Далее она посылается по двум направлениям: в систему подготовки УП (например, в систему Power MILL) и на прототипирование (при необходимости). Работы первого направления завершаются подготовкой УП для оборудования с ЧПУ, а для прототипирования 3D модель должна быть обработана. Специальные программные модули CAD систем (например, модуль CopyCAD Digitise в системе Power Solution фирмы DELCAM) возвращает (придает) 3D модели сеточный вид (рис. 1) и представляет ее в так называемых STL файлах (в STL формате). В этих файлах внешние и внутренние поверхности модели аппроксимируются треугольниками (триангулируются). Качество поверхностей полученной модели во многом зависит от величины допуска на аппроксимацию (рис. 1, в). Как правило, для обеспечения хорошего качества достаточная величина допуска составляет ∆ = 0,1 мм. Полученное описание поверхности модели записывается в файл.

Формат STL (Stereolithography Text Language), первоначально разработанный для процесса стереолитографии, в дальнейшем был принят за основу для других процессов послойного синтеза. В настоящее время STL является графическим стандартом представления данных о модели для систем быстрого прототипирования. В его основе лежит метод 3-мерной триангуляции поверхности модели, которая осуществляется треугольниками и может быть сглажена геометрическими фигурами более высокого порядка, за счет чего достигается высокая точность и воспроизводимость синтезируемой поверхности.

В CAD системе обычно существует и программный модуль (например, Trifix в системе Power Solution), с помощью которого сеточная 3D модель в STL формате может быть отредактирована и исправлена. После этого возможно получить прототип разработанной 3D модели.

Первый вариант — традиционный. Это механическая обработка деревянной или пластмассовой заготовки (легкий металл) на оборудовании с ЧПУ по имеющимся УП. Второй — передача 3D модели изделия в STL формате на установку быстрого прототипирования (RP) для синтеза.

Механическая обработка. Это наиболее простой и известный метод, в котором ручной труд моделировщика заменен механической обработкой на трех- и более координатных станках с ЧПУ с использованием УП, полученных специальными модулями и постпроцессорами программ трехмерной графики. Преимущества: дешевизна, использование распространенного оборудования, при применении специальных материалов — длительная геометрическая стабильность.

Недостатки: как правило, получают одну поверхность изделия без поднутрений; трудно изготовить высокие и тонкие ребра, острые внутренние углы; зачастую требуется обработка с нескольких установок заготовки; в ряде случаев — невозможность получить требуемые внутренние полости и отверстия; сложность в ручной доводке модели, если она из металла, и пр.

Прототип, изготовленный механообработкой, может использоваться практически для любых целей: как мастер-модель под выкладку изделий из стеклопластика, получения заливочных форм для тонкостенных изделий с использованием специальных восков, контрольной сборки с другими изделиями, дизайнерских оценок и т.д. До последнего времени такие прототипы как правило изготавливались из древесины, однако обеспечить стабильность и точность возможно только на специальных модельных материалах.

ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

Технологии быстрого прототипирования относят к методам, основывающимся на добавлении материала (в отличие от классической механообработки). Их принято подразделять по типу расходных материалов на жидкие, порошкообразные и листовые твердотельные.

Процессы с жидкими расходными материалами подразделяются в свою очередь на процессы отвердения посредством контакта с лазером, отвердения электрозаряженных жидкостей или отвердения предварительно расплавленного материала.

Процессы с порошкообразными материалами осуществляют скрепление частиц под воздействием лазера или выборочного нанесения связующих компонентов.

Процессы с твердотельными листовыми материалами могут быть классифицированы по способу их соединения: лазером либо слоем адгезива.

Наиболее используемые технологии быстрого прототипирования:

  • стереолитография — StereoLithography (SLA),
  • отверждение на твердом основании — Solid Ground Curing (SGC);
  • нанесение термопластов — Fused Deposition Modelig (FDM),
  • распыление термопластов — Ballistic Particle Manufacturing (BPM),
  • лазерное спекание порошков — Selective Laser Sintering (SLS),
  • моделирование при помощи склейки — Laminated Object Modeling (LOM).

Каждая из RP технологий основана на определенном методе создания прототипа, имеет свои особенности и обладает определенными преимуществами и недостатками при решении конкретных задач.

Метод послойного синтеза наиболее распространен. С его помощью могут быть получены модели-прототипы практически неограниченной сложности. При этом математическая модель изделия должна передаваться в установки в виде STL файлов. Специальное математическое обеспечение установок разбивает модель на ряд плоских параллельных сечений (рис. 2), отстоящих друг от друга на малое (0,05-0,4 мм) расстояние, определяемое требованиями установки. При этом каждое сечение исполнено с внешним и внутренним контуром, а контуры могут быть различной сложности. Далее эти сечения последовательно воспроизводятся установками (как плоские объекты) из различных материалов: ламинированной бумаги, бумаги, фотополимера, полимерного или металлического порошка, полимерной нити, воска, специального силикатного песка. Последовательное соединение (наслоение) плоских объектов-сечений приводит к синтезу изделия-прототипа.

Технология стереолитографии StereoLithography (SLA). В основу процесса положено отвердение жидкого фоточувствительного полимера под действием экспонирования ультрафиолетового излучения (UV). В основном технология используется для получения прототипов с целью проверки конструкции и собираемости, а также мастер-моделей для последующего тиражирования в силиконовых формах. Используемые расходные материалы позволяют получать функциональные прототипы с различными физико-механическими свойствами, температурной стойкостью, прозрачностью и т.д.

Прототип создается на платформе, перемещающейся в направлении оси построения моделей (Z) и находящейся внутри ванны с жидким полимером. Ультрафиолетовое излучение вырабатывается гелиево-кадмиевым либо аргон-ионным неподвижным излучателем (лазерной пушкой) и позиционируется на поверхности полимера при помощи подвижного зеркала. Поглощение и рассеивание светового пучка происходит непосредственно вблизи поверхности, в результате чего образуются трехмерные пиксели (объемные элементы).

Читайте также:  Установка антивандальной защиты кондиционера

На основание (1), расположенное в ванне (3), наносится слой фотополимера (рис. 3). Луч лазера (2), управляемый компьютером установки, перемещается по программе данного сечения и засвечивает те участки слоя, где должен быть материал. На засвеченных участках происходит полимеризация (отверждение) фотополимера. Основание опускается и заливается следующим слоем полимера, который засвечивается, и таким же образом — все сечения. Толщина слоя и поверхность калибруются специальным скребком — ракелем. После отработки всех слоев полученная модель извлекается из ванны, доотверждается, зачищается и используется по назначению. Модельный ряд установок позволяет получать детали с габаритами 500 х 500 х 500 мм. Точность позиционирования лазера составляет +/- 0,25 мм.

В процессе получения прототипа используют поддержки (то есть внутренние или внешние «переборки»), которые создаются на стадии компьютерной обработки 3-мерного вида модели при помощи различных программ.

Преимущества технологии StereoLithography (SLA):

  • возможность получения мелких элементов и деталей практически неограниченной сложности;
  • полная автоматизация установки;
  • высокая точность воспроизведения модели;
  • острые края моделей заполняются полимером, что уменьшает склонность к расслоению;
  • большая популярность этого процесса.

Недостатки технологии StereoLithography (SLA):

  • длительное время постобработки (16 и более часов);
  • усадка полимера при отверждении приводит к деформациям формы поверхности, а следовательно уменьшает точность воспроизведения;
  • химическая токсичность полимера и чистящих ванну средств;
  • использование ограниченного количества типов полимеров и их высокая стоимость;
  • необходимость высокой технической подготовки персонала и затраты на обслуживание оборудования;
  • необходимость наращивания специальных подпорок и переборок для получения нависающих элементов;
  • необходимость ручного удаления подпорок и переборок после синтеза прототипа, что может привести к его порче;
  • необходимость зачистки поверхности;
  • хрупкость, поводка моделей с течением времени (стабильность — не более 1 месяца);
  • жесткие требования к помещению, где размещена установка;
  • использование дорогостоящего лазера, имеющего ограниченный ресурс работы.

Технология лазерного спекания — Selective Laser Sintering (SLS). В основе этой технологии лежит спекание мелкодисперсных частичек расходного материала под воздействием С02 лазера. Расходный материал (пудра) предварительно разогрет до температуры, близкой к температуре плавления материала (либо связующих элементов). Для данной методики нужны порошки мелкодисперсные, термопластичные, с хорошей вязкостью и быстро затвердевающие — например, полимеры, воск, нейлон, керамика, различные специальные пластики (в том числе стеклонаполненные), песок и металлическая пудра.

В результате применения технологии можно получить функциональные прототипы пластиковых деталей, песчаные формы и стержни для металлургии, модели для литья по выплавляемым моделям, а также металлические детали или фрагменты формообразующих элементов пресс-форм.

Данная технология используется в основном для получения единичных функциональных прототипов либо как альтернатива тиражированию в силиконовых формах для получения партии деталей в несколько десятков экземпляров.

Принцип действия установок отражен на рис. 4. Над основанием (1), которое размещено в ванне (5), проходит каретка с роликом (2) и наносит тонкий однородный слой порошка около 0,15 мм (3). Ролик разравнивает порошок. Луч лазера (4), управляемый компьютером установки, перемещаясь по программе данного сечения, спекает порошок в местах, где должны быть стенки модели. После этого платформа опускается на величину следующего слоя, из картриджа выделяется очередная порция расходного материала, который калибруется прокатным валиком. Основание вновь опускается, наносится следующий слой, после чего луч лазера спекает как сам материал, так и место соединения его с предыдущим слоем, обеспечивая целостность детали. Далее процесс повторяется.

В завершение готовая модель отделяется от неспеченного порошка. Некоторые установки позволяют получать детали с габаритами до 300 х 330 х 430 мм.

При работе по технологии лазерного спекания у модели не нужны подпорки, так как сам порошок поддерживает спекаемую модель. При этом удаляемый порошок можно использовать повторно. Медленное остывание порошкового объема предотвращает значительные деформации формы изделия.

Мощность лазера составляет не более 50 Вт в ИФ диапазоне (1,06 или 10,6 мкм). Контроль уровня порошка в камере осуществляется аналогично процессу стереолитографии. Подогрев камеры снижает затраты лазерной энергии на нагрев порошка и уровень деформаций. Возможна подача азота в камеру (98%), чтобы избежать окисления при нагреве порошков.

Преимущества технологии Selective Laser Sintering (SLS):

  • полученная модель обладает свойствами монолитного материала (например, упругостью пластмассы, жесткостью спеченного металла, жаростойкостью песка), что значительно расширяет сферу применения;
  • недорогие и нетоксичные материалы;
  • используется широкий спектр порошков: от литейного воска до полимеров для соединения сложных и/или крупных деталей;
  • не нужно поддержки;
  • низкий уровень деформации моделей и напряжения;
  • возможность одновременного производства нескольких моделей в одной камере.

Недостатки технологии Selective Laser Sintering (SLS):

  • высокая шероховатость полученных моделей,
  • пористость моделей,
  • необходимость формирования первого слоя из подобного материала для снижения термических эффектов,
  • возможное изменение плотности моделей,
  • изменение материала требует чистки всей камеры.

Технология отверждения на твердом основании Solid Ground Curing (SGC) — сложный, многошаговый процесс (см. рис. 5). Компьютер разделяет модель на сечения (слои, поз. 1, рис. 5). Далее с помощью специального тонера на стеклянной пластине (2) создается изображение заданного слоя, образующее его «фотомаску» — фотошаблон. Вначале на поверхность стола, а далее (после построения очередного слоя) на образованный слой наносится и выравнивается тонкий слой смолы (фотополимера, поз. 4, рис. 5). Над этим слоем и над находящимся над ним фотошаблоном (2) включают свет ультрафиолетовой лампы (поз. 3, рис. 5). В результате того что лампа включается лишь на несколько секунд, отвердевает только тот слой смолы, фотомаска которого использовалась в данный момент. Неотвердевшая смола удаляется, полости заполняются расплавленным воском, который быстро затвердевает (поз. 5, рис. 5).

Созданный слой из отвердевшей смолы и воска выравнивают (фрезеруют) до нужной толщины (поз. 6, рис. 5). Далее деталь вновь подвергается воздействию ультрафиолетового излучения для окончательного формирования слоя. Затем процесс повторяется: создается фотошаблон для следующего слоя (поз. 1, рис. 5), по уже сформированному слою распределяется новый слой жидкой смолы, и т.д. Таким образом, количество фотошаблонов соответствует количеству формируемых слоев. Процесс идет в вакууме. Точность построения — 0,084 мм, скорость построения — 70 и 120 сек/слой, толщина слоя составляет 0,1-0,2 мм. Процесс был развит фирмой Cubital Inc. (Израиль), выпускающей установки Solider. Рабочий объем одной из установок — 360 х 360 х 360 мм.

Читайте также:  Установка видеонаблюдения на заводах

Преимущества технологии Solid Ground Curing (SGC):

  • не нужна постпроцессная обработка;
  • сложность модели влияет только на время ее полного изготовления и не влияет на скорость изготовления ее частей;
  • дополнительное засвечивание уменьшает внутренние напряжения модели;
  • процесс можно приостанавливать;
  • в центре тяжести модель может быть утяжелена;
  • не нужно подпорок при синтезе;
  • можно создавать модель с движущимися составными частями;
  • дефектные слои можно удалить, а после этого продолжить процесс;
  • возможность синтезирования нескольких деталей одновременно.

Недостатки технологии Solid Ground Curing (SGC):

  • перегрев дорогого полимера увеличивает его вязкость и делает невозможным повторное использование,
  • материал токсичен и требует УФ излучения в специальной камере;
  • большой вес установки,
  • шум при работе установки,
  • необходимость постоянного присутствия оператора,
  • возможность использования только нескольких материалов,
  • необходимость удаления воска после синтеза модели.

Технология послойной заливки экструдируемым расплавом — Fused Deposition Modeling (FDM) — основана на послойной укладке разогретой полимерной нити (рис. 1, а) в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в CAD системе. FDM процесс предусматривает протягивание обжимными роликами через экструдер диаметром менее 0,178 мм нити из стирол-бутадиен-акрилонитрила (СБА), поликарбоната, воска или эластомера. Нить при этом нагревается, переходит в полужидкое состояние и наносится на матрицу формируемого 3-мерного объекта в ходе построчного сканирования экструдером. Компоновочное вещество, осаждаясь на матрице объекта, при температуре окружающей среды быстро затвердевает.

Широкий набор основных цветов используемого материала (белый, синий, желтый, черный, красный и зеленый) позволяет моделировать изделие любого цвета.

Процессор FDM системы управляет перемещением головки экструдера по трем осям и регулирует температуру нагрева подаваемого материала. Особенность FDM системы — прецизионный нагрев материала до температуры, лишь незначительно превышающей температуру его затвердевания. Во многих FDM устройствах используется несколько бобин с различными по цвету или составу нитями, причем сменой бобин также управляет процессор. Время смены не превышает 1 мин.

Формирование с помощью FDM технологии созданного в CAD системе 3-мерного объекта сводится к преобразованию CAD файла в STL формат и изменению STL описания моделируемого объекта в набор данных, характеризующих послойные поперечные сечения требуемого разрешения. Затем эти данные транслируются в файл машинных команд SML формата, по которым и осуществляется синтез.

Двойной экструдер (4) системы имеет два сопла (рис. 1, б). Одно сопло подает компоновочный материал с катушки (2), а другое — с катушки (3) легко удаляемый материал поддержки (например, воск), необходимый для формирования сложных составных объектов.

При работе установки математическая модель детали (1) передается в формате STL в специальное программное обеспечение ПК, под управлением которого работает установка FDM. Программа оптимально ориентирует модель, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нити. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели.

При работе установки ее головка выстраивает геометрию модели-прототипа, выдавливая полимерную нить через фильеру, нагретую до 270° С. Вторая фильера выстраивает поддержку. Головка (4) перемещается в направлении X-Y, или сам координатный стол (платформа) (7) позиционируется, послойно синтезируя модель. Платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели (5) с поддержкой (6).

Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки. Например, размер рабочей зоны установки модели FDM Maxum (фирма Stratasys Inc., США) обеспечивает получение модели размером до 600 х 500 х 600 мм.

Если для построения модели-прототипа использовалась поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне.

Технология использования водорастворимой поддержки носит название waterworks и реализована в ряде FDM моделей фирмой Stratasys Inc. Модель, изготовленная с применением этой технологии, остается гладкой и чистой, с сохранением мельчайших деталей.

Преимущества технологии Fused Deposition Modeling (FDM):

  • легкая перестраиваемость с материала на материал,
  • сравнительно низкая стоимость затрат,
  • высокая производительность,
  • точность — +/-127 мкм,
  • минимальный контроль оператора,
  • нетоксичность материалов,
  • компактность установки,
  • низкие температуры переработки.
  • наличие швов между слоями;
  • необходимость постоянного движения головки экструдера для предотвращения ее засорения застывшим материалом;
  • в определенных случаях в процессе изготовления модели необходимо создавать подпорки для поддержки свисающих частей;
  • малая сдвиговая прочность полученных моделей;
  • увеличение длительности процесса для больших площадей;
  • возможные колебания температуры в течение цикла обработки, приводящие к расслоению модели.

Технология баллистического осаждения частиц — Ballistic Particle Manufacturing (ВРМ) — представлена фирмой ВРМ technology. ВРМ технология по сути аналогична обычному процессу струйной печати. Реализуется она путем перемещения пьезоэлектрической головки, выбрасывающей на поверхность синтезируемой модели крошечные капли расплавленного нетоксичного цветного термопласта, закрепляющиеся на этой поверхности.

Для получения гладкой поверхности иногда применяется вторая нагревающая головка.

Формирование модели осуществляется послойно путем разбрызгивания по поверхности материала (это может быть и воск) капельками размером 50 мкм со скоростью 12 500 капель/сек.

Уровень формирует тонкий слой. Толщину слоя варьируют путем изменения скорости разбрызгивания.

При синтезе объекта с выступающими формами используется специальный связующий материал, который поддерживает их на стадиях формирования объекта, а затем легко удаляется с помощью растворителя. Достоинства ВРМ технологии — дешевизна, малые габариты ВРМ системы, относительно низкое энергопотребление, отсутствие необходимости системы вентиляции. Сейчас отмечается лишь один недостаток этой технологии — низкая производительность ВРМ систем.

Многоструйная технология жидкими фотополимерами — Objet’s PolyJet photopolimer inkjet technology — предполагает использование установок, которые обеспечивают послойное напыление полимеров в соответствии со слоями, предлагаемыми ПК с 3D моделью в формате STL. Такая установка (рис. 2) имеет головку (1), в которой размещены сопла в количестве более полутора тысяч. Половина сопел может распылять специальный фотополимер, определенный как основной материал, а другая половина связана с картриджем, из которого к соплам подается материал поддержки.

Построение прототипа осуществляется на столе-основании (4), относительно которого в соответствии с направлениями X-Y может перемещаться головка с соплами. Каждый ход головки (при включенных для напыления соплах) определяет напыления слоя полимера толщиной 20 мкм, который тут же отверждается светом размещенной на головке ультрафиолетовой лампы. В соответствии с программой, определенной ПК для каждого слоя, происходит напыление как основного материала (2), так и материала поддержки (3). По мере напыления слоев стол с создаваемым прототипом смещается по оси Z.

Читайте также:  Установка зубов в ташкенте

В изготовленном прототипе материал поддержки удаляется водой.

Технология послойного формирования объемных моделей из листового материала — Laminated Object Manufacturing (LOM). Эта технология и установки для ее реализации были созданы в 1991 г. фирмой Helisys, Inc. (США) и получили широкое распространение. Установка, как и все остальные, использует CAD модель в виде STL файла. Данные поступают на управляющий компьютер LOM установки, где с помощью специального программного обеспечения из CAD модели создается набор сечений детали. Модель выращивается из рулонной ламинированной бумаги или другого материала. Толщина листов зависит от материала и изменяется от 50 до 500 мкм. В настоящее время показана возможность использования следующих материалов: бумага, пластик, керамика-композиты.

Процесс отражен на рис. 3. Бумага (9) с рулона (8) протягивается над платформой (6) в рабочую зону и горячим валиком (10) прикатывается к основанию или предыдущему слою бумаги (в обойме) (5), к которому и приклеивается. Затем луч (1) лазера (3), управляемый компьютером, прорезает в введенном слое бумаги контур (2) (рис. 3,б), повторяющий границу сечения модели.

Можно одновременно раскраивать более одного листа, однако точность метода при этом уменьшается. Ошибки, возникающие при синтезе объемного изделия, можно устранить путем удаления части слоев. Поле, расположенное вне контура сечения (внутри и снаружи), прорезается лазером на мелкие квадраты (4) для их последующего удаления.

Платформа (6) опускается на шаг, поступает новая порция материала, а отработанный участок бумаги свертывается в рулон (7). Далее процесс повторяется для следующих слоев: новый слой-скрепление-резка лучом лазера (рис. 3, в). Изготовление модели завершается ручным удалением ненужного материала. При необходимости поверхность зачищается и покрывается защитными лаками (рис. 4).

При синтезе объемной модели возможно наличие переборок-подпорок. В этом случае после окончания процесса требуется их удалить и тщательно контролировать влажность детали, чтобы избежать расслоения при чрезмерной просушке.

Преимущества LOM технологии:

  • отсутствие физико-химических превращений при синтезе, минимальные усадка и деформации за счет минимального прогрева слоев;
  • возможность компенсации усадки за счет дополнительных слоев;
  • не требует дополнительного подогрева материала;
  • при раскраивании лазерное излучение не воздействует на внутренние части материала;
  • в большинстве случаев формирование модели может осуществляться без применения подпорок;
  • большой выбор тонких листовых материалов по доступным ценам;
  • быстрое обучение персонала;
  • нетоксичность материалов;
  • миниатюрность установки и легкость в управлении;
  • возможность механической обработки изготовленных прототипов (сверление отверстий и проч.), склейки с другими частями для получения большего габарита модели;
  • простота эксплуатации.

Эти и другие преимущества обеспечили LOM технологии большую применимость. В частности, в машиностроении она может использоваться для изготовления:

  • функциональных прототипов деталей и изделий, подготавливаемых к производству; для контроля их компьютерной разработки, дизайна, функционального тестирования, представления на презентациях, изучения рынка;
  • функциональных прототипов деталей для образцов изделий на стадии опытно- конструкторской разработки;
  • форм точного литья по выплавляемым моделям;
  • формовочных моделей и комплектов для формовки в землю, гипс, эпоксидные смолы;
  • стержневых ящиков;
  • моделей для вакуум-пленочной технологии литья в песчаные формы;
  • моделей для вакуумного и центробежного литья в силиконовые формы;
  • форм для вакуумной формовки листовых пластмассовых материалов;
  • форм для литья полиуретанов, силиконовых двухкомпонентных резин, компаундов;
  • деталей оформляющих поверхностей пресс-форм литья под давлением, изготавливаемых холодно-плазменным напылением;
  • моделей для копировально-фрезерных станков.

Кроме машиностроения LOM технология находит применение в архитектуре и искусстве — при макетировании зданий и сооружений, изготовлении скульптур, художественной мебели, рам для картин, театральной бутафории.

Недостатки LOM технологии:

  • трудность удаления отходов в случае неполного прорезания листа;
  • вероятность повреждения сложноконтурных деталей при удалении отходов (обрезков);
  • материал поддержки может быть неудачно соединен с основным материалом модели;
  • изменение свойств материала в направлении ламинирования;
  • большие расходы материала;
  • шероховатость поверхности;
  • возникновение трудностей при обработке синтезированной модели из-за возможности деламинации (расслоения);
  • необходимость вентиляции, так как при пайке (склеивании) возможны испарения;
  • необходимость защиты модели от влаги, например покрытием лаком;
  • относительно невысокая точность;
  • невозможность получения тонких (менее 1-1,5 мм) стенок и ребер.

3D принтеры фирмы Z Corp. (США) при создании трехмерной модели-прототипа послойно воздействуют на порошок не лазером, а специальными связующими веществами. Так, например, рассматриваемые 3D принтеры работают с нетоксичными порошковыми материалами на основе крахмала или гипса и с водным связующим веществом.

Процесс 3-мерного прототипирования крайне прост и по сути мало чем отличается от печати на обычном струйном принтере. Оператор импортирует STL файл модели управляющей программе принтера. Программа «режет» модель на слои толщиной 76-254 нм в зависимости от выбранного соотношения между разрешением (ступенчатостью) и скоростью печати. Узел печати один за другим наращивает слои порошка. Четыре 300-струйные головки (всего 1200 форсунок) наносят связующее вещество, склеивающее частицы порошка в соответствии с формой слоя. Затем «печатается» новый слой порошка, и процесс повторяется до полного формирования объекта. У отдельных моделей 3D принтеров размеры изготавливаемых прототипов могут составлять 203 х 254 х 203 мм и более, а скорость построения этих прототипов — достигать 2620 см 3 /ч сформированного объема.

После окончания построения несвязанный порошок удаляется, объект очищается от его остатков в специальной установке, в которую входит набор насадок, позволяющий обрабатывать практически любые труднодоступные участки, в том числе глубокие полости.

Для повышения прочности и улучшения внешнего вида модель может быть пропитана различными материалами — например, нетоксичным парафиновым воском, эпоксидными смолами, полиуретанами, клеевыми составами. Модель можно сверлить, шлифовать и красить.

В отличие от многих установок быстрого прототипирования оборудование Z Corp. пригодно для создания геометрических форм любой сложности без поддерживающих структур, поскольку все нависающие элементы фиксируются несвязанным порошком.

Сформированные объекты, пропитанные воском или специальной смолой ZR10 (цианоакрилат), могут играть роль мастер-моделей для изготовления литьевых форм. Возможно применение «напечатанных» объектов в таких процессах, как литье в землю, литье в гипсовые формы, термоформование. Следует также отметить возможность нанесения на гипсовые и крахмальные детали гальванопокрытия.

Цветной 3D принтер может не только расширить возможности промышленного дизайна, но и решить такие задачи, как наглядное представление результатов анализа механических и тепловых напряжений, создание моделей молекул или медицинское моделирование и др.

Кроме рассмотренных выше имеется и еще целый ряд систем и установок прототипирования, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками.

П.П. Серебреницкий
Журнал «РИТМ», сентябрь-октябрь 2008 г.

источник