Лазерное спекание легкоплавкого порошка

Лазерное спекание порошковых материалов (технология SLS - Selective Laser Sintering) обеспечивает изготовление образцов из относительно легкоплавких порошкообразных материалов: по­лиамида, полистирола, керамики и из порошков некоторых ме­таллов. Наиболее популярным модельным материалом является порошковый полиамид. Он применяется для создания макетов, масштабных копий, функциональных моделей, т. е., моделей способных выполнить свою функцию как деталь машины или ус­тройства, например, облицовка салона автомобиля или декора­тивных элементов кузова.

Лазерное спекание позволяет изготовлять модели с подвиж­ными частями - например, с работающими петлевыми соедине­ниями, нажимающимися кнопками и т. п. В ряде случаев поли­амид применяют при проведении исследовательских работ по определению конфигурации какой-нибудь ненагруженной дета­ли, например, впускного трубопровода автомобильного двигате­ля. Модель самолета, изготовленная из полиамида, может быть использована при проведении газодинамических исследований методами продувки.

Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой порошка надлежащей толщины. Источником тепла является лазерный луч. Он рисует на тонком слое порошка сечение 3D-модели. Порошковые час­тицы нагревается выше температуры плавления, спекаются и формируют твердую массу, по форме соответствующую CAD-модели. Чтобы пластик не загорелся и окислился, в рабочую зону подается азот. Затем элеватор опускается, насыпается следующий слой, и процедура повторяется. Лазерное спекание обеспечивает достаточно высокое качество деталей. Недостаток метода состоит в том, что поверхность деталей получается пори­стой.

Для этого процесса разработаны специальные материалы, позволяющие напрямую изготавливать металлические детали. В качестве порошка здесь используются микрочастицы стали, покрытые сверху слоем связующего пластика. После спекания пластика деталь обжигается в печи. Пластик выгорает, а образо­вавшиеся поры заполняют бронзой. Модель, полученная этим методом, обладает высокой прочностью, так как состоит на 60% из стали и на 40% из бронзы.

Фактически, SLS уже сейчас позволяет производить полно­ценные металлические предметы, причем произвольной формы. Недостаток метода: высокая стоимость установки и низкая про­изводительность.

Технология FOM

Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке на охлаждаемую платформу выходящей из фильера раздаточной го­ловки разогретой до полужидкого состояния полимерной нити, в соответствии с геометрией модели детали, разработанной в сис­теме CAD.

Термопластичный материал наносится тонкими слоями (0,25-0,33 мм) на неподвижное основание. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели. Про­грамма ориентирует математическую модель, созданную в фор­мате STL, оптимальным для изготовления образом, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути переме­щения головки, укладывающей нить. При необходимости авто­матически генерируются опорные элементы (поддержка) для на­висающих фрагментов модели.

Установки работают с различными моделирующими материа­лами: ABS-пластиком (ABS) и «медицинским пластиком» ABSi, поликарбонатом (PC и PC-ISO), полифенилсульфоном (PPSF). Эти материалы отличаются прочностью и термостабильностью, не деформируются, не дают усадку и не впитывают влагу. Они обеспе­чивают высокую точность и функциональность моделей-прототи­пов - из них можно собирать действующие прототипы.

Размер изготавливаемой детали может достигать 600х600х500 мм. Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабо­чей зоны, можно изготовить по частям, а затем собрать в единое целое (например, склеивая отдельные части). Если несколько деталей помешаются в рабочей зо­не установки, то возможно их параллельное изготовление.

Американское космическое агентство NASA рассматривает возможность использования тех­нологии FDM в космосе. Ведь в космическую экспедицию берет­ся ограниченное количество зап­частей ко всему оборудованию. Загрузив исходный пластик и компактную машину, можно бу­дет сделать из этого пластика требуемую деталь.

D-принтеры

Большинство систем быстрого прототипирования имеет вы­сокую стоимость, которая может достигать сотен тысяч долларов. В последние годы все большее распространение получают более дешевые системы послойного изготовления моделей — 3D-принтеры. Они имеют сравнительно небольшие габариты, сопостави­мые с размером персонального компьютера Программное обеспечение компьютера разрезает трехмер­ную модель объекта на попереч­ные сечения или слои, толщина которых колеблется в диапазоне от 0,0875 до 0,2 мм. Последова­тельная печать полученных по­перечных сечений осуществля­ется от основания объекта к его вершине. При осуществлении трехмерной печати прежде все­го наносится тонкий слой по­рошка толщиной, соответству­ющей толщине слоя поперечно­го сечения создаваемой модели в 3D-принтере имеются две камеры: подающая и рабочая. Выравнивающий валик и блок печати установлены вместе на подвиж­ной раме. Перед началом работы принтера поршень подающей камеры опущен вниз (объем камеры при этом минимален) и пол­ностью заполнен порошком. Поршень рабочей камеры полно­стью поднят (объем камеры равен нулю).

Цикл печати очередного сечения состоит из следующих этапов:

- поршень подачи порошка поднимается на величину толщины слоя, а поршень в области создания модели опус­кается на эту же величину;

- каретка с печатающей головкой перемещается вправо, ро­лик переносит очередную порцию порошка из подающей камеры в рабочую. На очередной тонкий (около 0,1 мм) слой порошка в нужных местах через печатающую голо­вку наносится связующее вещество. В тех местах, где оно было нанесено, порошок твердеет;

- затем поршень блока подачи порошка перемещается на один слой вверх, а поршень в области, предназначенной для создания модели, опускается на один слой вниз процесс повторяется до тех пор, пока не будет напечата­на модель всего объекта.

Поскольку верхние слои порошка поддерживаются нижни­ми, модель объекта создается без использования специальных несущих элементов. При этом могут быть напечатаны объекты любой сложной конфигурации, недоступной для других анало­гичных систем.

После завершения печати модель объекта извлекается, с нее удаляются излишки порошка. В качестве порошка используется обычный гипс или крахмал. Для увеличения прочности и долго­вечности поверхность модели может быть пропитана циано-акрилатными смесями, воском, эпоксидной смолой или другими материалами. Затем модель сушится. Она готова к внесению из­менений в ее дизайн в тот же день, обычно уже в течение не­скольких часов.

Программное обеспечение 3D-принтера позволяет масшта­бировать полученную в CAD-системе модель, при необходимос­ти наложить текстуру и раскрасить. Использование нескольких емкостей с цветным клеящим веществом обеспечивает получе­ние модели того же цвета, что и исходная компьютерная модель. При построении модели не требуется присутствия оператора. Со­временные технологии позволяют осуществлять одновременную печать сразу нескольких моделей с заполнением всего объема ра­бочей камеры.

    В 3D-принтерах применяется технология 2D-печати с 24-бит­ным представлением цвета. Четыре емкости с цветным клеящим веществом (голубое, пурпурное, желтое и прозрачное) обеспечи­вают получение цветной модели того же цвета, что и исходная компьютерная модель. Разработано программное обеспечение для 3D-принтеров, в которых используются печатающие головки с разрешением 600 dpi и цветной связующий мелкодисперсный порошок.

Скорость получения образца 25-500 мм/ч по высоте, что в 5-10 раз быстрее, чем позволяют другие технологии быстрого прототипирования. Стоимость изготовления 1 см³ образца, со­ставляют ~0,3 доллара. Модульная конструкция и применение стандартных печатающих головок делают сервисное обслужива­ние доступным даже в домашних условиях. Используемые материалы нетоксичны и полностью безопасны, что позволяет рабо­тать с 3D-принтерами непосредственно а офисе.

Полученные в 3D-принтерах прототипы используются для визуализации разрабатываемого изделия, проведения различных тестов, для создания форм для точного литья и литье по выплав­ляемым моделям. Для изготовления цветных и моно­хромных высококачественных изделий: моделей дизайна, образ­цов для оценки эргономичное изделий могут использоваться композитные материалы.

В качестве 3D-принтеров используют также настольные гравировально-фрезерные станки. Например, скорость вращения шпинделя станка Roland EGX-350 составляет 20 000 об/мин. Он работает со множеством разных материа­лов, включая пластиковые, акриловые, алюминиевые, из нержа­веющей стали, латуни и дерева, позволяет создавать изделия с эффектом ручной работы (V-Carving). Для настройки и управле­ния станком используется USB порт.

Поскольку принтер имеет небольшие габаритные размеры и вес и не использует вредных материалов, то он может быть уста­новлен непосредственно на рабочем месте конструктора, как и обычный принтер.