Основные технологии быстрого получения прототипов изделий

Работа некоторых RP-систем основана на фотополимеризации - химическом процессе, при котором жидкая смола (полимер) превращается в твёрдый полимер под воздействием на неё ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.

Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов для построения физических моделей. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекторных головок, образуя слои, последовательность которых образует физическое тело; технологии спекания порошковых материалов под воздействием тепловых процессов; "склеивание" листовых материалов.

Разновидность процессов быстрого изготовления прототипов соответствует числу производителей. Рассмотрим основные технологии быстрого получения прототипов изделий.

Стереолитография

Начало всем технологиям быстрого прототипирования положила стереолитография. Стереолитография (SL) была представлена компанией 3D Systems в 1987 году, и в настоящее время более чем 500 из этих стереолитографических систем (Stereo Lithography Apparatus - SLA) установлены и используются компаниями во всем мире. И с каждым днем число этих систем растет. Стереолитографические системы производят точные фотополимерные твердотельные объекты из трехмерных CAD данных.

Основой стереолитографии является локальное изменение фазового состояния однородной среды (переход «жидкость - твердое тело») в результате фотоинициированной в заданном объеме полимеризации. Суть фотополимеризации состоит в создании с помощью инициирующего (в данном случае лазерного) излучения в жидкой реакционно-способной среде активных центров (радикалов, ионов, активированных комплексов), которые, взаимодействуя с молекулами мономера, инициируют рост полимерных цепей. Следствием этого является изменение фазового состояния среды, то есть в облученной области образуется твердый полимер.

Стереолитографическая машина состоит из резервуара с жидким фотополимером, из подвижной горизонтально расположенной платформы, которая находится в этом резервуаре, а также из лазера, который переносит информацию о слоях непосредственно на поверхность фотополимера (см. рис.3.4.).

Рис. 3.4 Принцип технологии Стереолитография

Лазер является основным рабочим элементом стереолитографии, который последовательно "вычерчивает" сечения объекта на поверхности ёмкости со светочувствительной смолой. Жидкий фотополимер отвердевает только там, где его касается лазерный луч. Подвижная платформа, на которой «выращивается» деталь, устанавливается ниже поверхности фотополимеризующейся композиции (ФПК) на расстоянии, равном толщине первого слоя. На поверхности ФПК формируется изображение, соответствующее первому сечению объекта. В облучаемой области образуется пленка твердого полимера. После формирования первого слоя, платформа с пленкой опускается на расстояние, равное толщине следующего слоя. Новый слой материала наносится на отвердевшую поверхность, и на поверхности ФПК воспроизводится изображение, соответствующее второму сечению детали. Далее платформа перемещается на расстояние, равное толщине следующего слоя и процесс повторяется автоматически до полного построения детали. После завершения формирования последнего (верхнего) слоя, платформа поднимается на поверхность ФПК, послойно выращенная деталь снимается с платформы, с поверхности детали удаляются остатки жидкой фотополимерной композиции и деталь сушится.

Готовые модели выдерживают нагрев до 100° С без изменений формы и размеров. Шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Отверждённый фотополимер легко полируется. Прочность готовых деталей сравнима с прочностью изделий из отвержденных эпоксидных смол.

Поскольку послойно выращиваемый объект находится в жидкости, то его необходимо жестко зафиксировать на платформе, чтобы избежать смещений и даже отрыва от платформы в результате действия гидродинамических сил, которые появляются при движении платформы с выращиваемой деталью в жидкости, или смещения центра масс выращиваемого объекта. Механические характеристики (прочность, упругость) тонкой полимерной пленки ограничивают допустимую в процессе послойного изготовления детали величину выступов. В процессе изготовления детали часто появляются несвязные области сечения, которые не имеют общих точек с предыдущим слоем. Выступы, несвязные области требуют для своей фиксации вспомогательных элементов – подпорок (своеобразных строительных лесов), которые поддерживают деталь в процессе ее изготовления. Следует также отметить, что большая площадь контакта детали с платформой затрудняет ее отделение от платформы. Подпорки, как правило, представляют собой тонкие (0,1-0,5 мм) стенки, которые, пересекаясь друг с другом, образуют жесткую конструкцию. Подпорки можно создавать и средствами САПР, но трудоемкость этой процедуры, зависимость структуры подпорок от типа ФПК и типа установки, делают актуальной автоматизацию этой операции.

Основным недостатком традиционной стереолитографии является сравнительно низкая производительность процесса, для ускорения которого разработан вариант его реализации с помощью так называемых масок. По результатам компьютерного проектирования, геометрию слоев изделия наносят вначале на прозрачные пластины, изготавливая соответствующие маски. Вместо лазерного луча на жидкий фотополимер направляется через маску свет от специальной лампы сразу на всю поверхность сечения. После отверждения слоя сечения остаточный жидкий фотополимер удаляется и пустоты заполняются расплавленным воском. После прессования и отверждения воска его излишки счищаются заподлицо с отвержденным слоем изделия. Конструкция опускается в жидкий полимер на глубину следующего слоя и освещается через маску очередного слоя изделия. Такая технология не требует дополнительного времени на отверждение материала изделия, необходимого в классическом варианте стереолитографии.