Мгновенное воплощение идеи с помощью RP-технологий

Технология быстрого прототипирования, или послойного изготовления трехмерных объектов появилась сравнительно недавно, всего лишь около 20 лет назад. Предпосылками ее создания послужили развитие мощной вычислительной техники и успехи, достигнутые в разработке лазерных технологий обработки материалов.

Лазерная стереолитография
В настоящее время из множества различных методов быстрого прототипирования наибольшее применение получила технология, основанная на использовании фотополимеризации лазерным излучением, или лазерная стереолитография. Эта методика позволяет получать очень сложные цельновыращенные модели, а ее внедрение в технологический процесс дает возможность добиться высокой точности изделий, необходимых для изготовления оснастки.

Исходным для стереолитографии является компьютерная модель трехмерного объекта. Компьютерный образ рассекается при этом на плоские тонкие (100–250 мкм) слои. Суть технологии состоит в изменении фазового состояния среды, то есть в облученной области образуется твердый полимер и достигается пространственная селективная полимеризация.

Используя разные способы облучения на поверхности фотополимеризующейся композиции, можно получить полимерную пленку (плоскость), трек (линию) или керн (точку). В дальнейшем эти элементы используются для формирования физических копий трехмерных объектов по их компьютерным моделям. Толщина пленки зависит от дозы облучения.

Платформа, на которой «выращивается» деталь, устанавливается ниже поверхности фотополимеризующейся композиции на расстоянии равном толщине первого слоя. На поверхности жидкого полимера формируется изображение, соответствующее первому сечению объекта. После формирования первого слоя платформа с пленкой опускается на расстояние равное толщине следующего слоя и на поверхности воспроизводится изображение, соответствующее второму сечению детали. Параметры инициирования выбираются таким образом, чтобы второй слой надежно «приклеился» к первому. Далее платформа перемещается на расстояние равное толщине следующего слоя фотополимеризующейся композиции, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут изготовлены все слои. После завершения формирования последнего слоя платформа поднимается над поверхностью, послойно выращенная деталь снимается с платформы, с поверхности детали удаляются остатки жидкой фотополимеризующейся композиции, деталь сушится.

Одним из интересных вариантов развития лазерной стереолитографии стал метод изготовления квазиполых объектов: из отвердевшего полимера формируются только поверхность тела и внутренние ребра жесткости, что определяет минимальное отношение веса полимера к объему модели. При этом экономится дорогостоящий жидкий полимер и уменьшается время выращивания тела. При последующем изготовлении оснастки для литья требуется лишь выжигание пластиковой модели, что позволяет получить минимальный зольный остаток. Поэтому он и получил название «быстрое литье».

Метод селективного лазерного спекания (SLS)
Для этой методики нужны мелкодисперсные порошки: полимеры, воск, нейлон, керамика. Синтезируемая модель расщепляется в компьютере на сечения по информации из .STL файла (.STL файлы содержат сведения о всех сечениях данной модели), и после разравнивания порошка по поверхности зоны обработки,лазерное излучение спекает требуемый контур, затем насыпается новый слой порошка, разравнивается и процесс повторяется. То есть порошковый материал послойно спекается лазерным излучением. Когда модель готова, она извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются стряхиванием или зачисткой специальным шпателем. Дальнейшее развитие технологии идет по пути внедрения металлических порошков.

Послойное формирование моделей из листового материала (LOM)
Для данной технологии используются в основном бумага или полиэстер, который раскраивается по заданному контуру лазерным излучением и затем скрепляется в стопке путем склейки или спайки (сварки). Эталон-макет используется в литье металлических моделей (точность от 500 до 700 мкм).

Непосредственное создание литьевой формы (DSPC)
Cлои порошка (карбид кремния, алюминий, цирконий, кремний, оксид алюминия) распределяются равномерно и укатываются (трамбуются) на поддоне. Порошковый материал связывается послойно адгезионным расплавом из нагреваемой принтерной головки, сканируемой по поверхности порошка. Процесс повторяется до полного синтеза.

Послойное уплотнение (SGC)
Технология напоминает процесс создания фотокопии. Основание модели избирательно заряжается и покрывается порошком, который за счет эффекта электрострикции прилипает к основанию. В результате использования фотографической маски все лишнее счищается и остается наэлектризованный порошок, отвечающий данному сечению синтезируемой модели. Затем новый тонкий слой фотополимера распределяется по ванне. Через маску (стекло, по которому распределяется электростатический порошок) на фотополимер направляется УФ-излучение от лампы, и полимер селективно отверждается. Остатки неотвержденного полимера удаляются и заменяются расплавленным воском, который охлаждается.

Таким образом, учитывая полную совместимость технологии литья металлических деталей по выжигаемым моделям со стандартным производственным процессом, высокую экономичность RP-технологий (неотвержденный материал остается в ванне и участвует в процессе изготовления следующих деталей), можно говорить о приоритетной важности их внедрения.

Не случайно сегодня практически все крупные промышленные компании отдают предпочтение подобным системам. Все последние версии известных пакетов САПР (как зарубежных Euclid, CATIA, AutoCAD и т. д., так и отечественных КОМПАС, ГРАФИКА и т.п.) имеют либо STL-интерфейс, либо модули подготовки данных для быстрого прототипирования. К тому же одна RP-установка заменяет целый комплекс сложных станков.

В каждой бочке есть…
Однако и в этих фантастических технологиях будущего существуют некоторые проблемы. Во-первых, это вполне понятная высокая стоимость установок для быстрогого прототипирования (в среднем 300–400 тыс. долларов США). Во-вторых, несмотря на то что современные RP-технологии позволяют решить большинство проблем, связанных с изготовлением пластиковых копий компьютерных моделей, очень часто имеется потребность в быстром изготовлении прототипов реальных трехмерных объектов. Например, в археологии, медицине, искусстве. При этом существует задача быстрого и точного преобразования данных, полученных с помощью рентгеновского компьютерного томографа, координатных измерительных машин, видеограмметрических данных и результатов других типов зондирования трехмерных объектов.

Тем не менее существование этих и других проблем, не решенных пока в полной мере методами быстрого прототипирования, нисколько не умаляют саму технологию, а их решение неизбежно расширит области ее применения.