МД (Методология создания твердотельных моделей с использованием технологий аддитивного производства), страница 6

Хотя изначально технология создавалась для быстрого прототипирования, в последнее время SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий. Достаточно неожиданным, но интересным применениемSLS стало использование технологии в создании предметов искусства.1.3.6 Выборочная лазерная плавка (SLM)Выборочная лазерная плавка (SLM) – метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконныелазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков (рисунок 20).Официальным термином для описания технологии является «лазерное спекание», хотя он несколько не соответствует действительности, так как расходные материалы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы. Альтернативно, процесс может называться прямым лазернымспеканием металлов (DMLS) в случае использования металлических порошков,а также LaserCUSING (фирменное название, бренд компании Concept LaserGmbH).

Схожим методом является электронно-лучевая плавка (EBM), использующая электронные излучатели вместо лазеров.Процесс печати начинается с разделения цифровой трехмерной модели наслои толщиной от 20 до 100 микрон. Готовый файл в стандартном формате STLиспользуется в качестве чертежей для построения физической модели.36Рисунок 20 – Промышленная SLM установка EOSINT M 280Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность – как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном).

Отсутствие кислородапозволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростьюотклонения.

Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал.Типичные представители устройств семейства SLM имеют рабочие камерыразмером порядка 250мм в одном измерении, хотя технологических ограничений на размер области построения нет. Наиболее популярными материаламиявляются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото идр.Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в од37ном объекте полезна при создании имплантатов – например, ацетабулярныхчашек или других ортопедических имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции (сращиванию с костной тканью).

Кроме того,SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется. Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством.В ходе испытаний NASA было установлено, что детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные из никелевых сплавов методом SLM, несколько уступают по плотности материала аналогам, изготовленным литьем споследующей сваркой компонентов.

С другой стороны, отсутствие сварочныхшвов благоприятно влияет на прочность изделий.1.3.7 Стереолитография (SLA)Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производствамоделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол.Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазеромили другим схожим источником энергии (рисунок 21).Метод основан на облучении жидкой фотополимерной смолы лазером длясоздания твердых физических моделей. Построение модели производится слойза слоем. Каждый слой вычерчивается лазером согласно данным, заложенным втрехмерной цифровой модели.

Облучение лазером приводит к полимеризации(т.е. затвердеванию) материала в точках соприкосновения с лучом.По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак сжидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от0,05мм до 0,15мм.

После выравнивания поверхности жидкого материала начи38нается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построенияполной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке вультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.Рисунок 21 – Настольный стереолитографический принтер OWL NanoСтереолитография требует использования поддерживающих структур дляпостроения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). Опоры предусматриваются вфайле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления.Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати.

Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точностьизготовления достаточно высока для применения в производстве прототиповстоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: времяпостроения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итогезависит от размера модели и количества лазерных головок, используемыхустройством одновременно.

Относительно небольшие настольные устройства39могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении. В то жевремя существуют промышленные установки, способные печатать крупногабаритные модели, где изделия измеряются уже в метрах. Готовые изделия могутобладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенныххарактеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов.Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходныхматериалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, вто время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000.Высокая популярность технологии способствует разработке более доступныхмоделей, таких как FORM 1 от компании Formlabs или Pegasus Touch от FSL3Dс заявленной стоимостью в $2 400 и $3 500 соответственно.1.3.8 Выборочное тепловое спекание (SHS)Выборочное тепловое спекание (SHS) – метод аддитивного производства.Технология основана на плавке слоев термопластического или металлическогопорошка с помощью теплового излучателя.По окончании формирования слоя рабочая платформа передвигается внизна дистанцию, соответствующую толщине одного слоя, после чего новый слойпорошка наносится с помощью автоматизированного ролика, а затем проводится спекание нового слоя по контурам, заданным цифровой трехмерной моделью.Лучше всего технология SHS подходит для производства недорогих функциональных прототипов (рисунок 22).Относительно невысокие энергетические затраты позволяют создаватьнастольные SHS принтеры такие, как Blueprinter.

Выборочное тепловое спекание (SHS) схоже с выборочным лазерным спеканием (SLS) – единственное существенное различие заключается в использовании тепловой печатающей головки вместо лазерной. Такое решение позволяет снизить стоимость и габариты40устройств, вплоть до возможности создания настольных принтеров.

С другойстороны, энергетическая отдача SHS принтеров мала по сравнению с SLSустройствами, что ограничивает выбор материалов.Рисунок 22 – SHS принтерКак правило, в качестве расходных материалов используются пластики илидостаточно легкоплавкие металлы. В последнем случае модели зачастую требуют дополнительного обжига для повышения прочности.1.3.9 Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) – технология быстрого прототипирования, разработанная компанией Helisys Inc (рисунок 23).

Метод подразумевает последовательное склеивание листового материала (бумаги,пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Объекты, производимые этим методом, обычно подлежат дополнительной механической обработке после печати. Толщина наносимого слоя напрямую зависит от толщины используемого листового материала.Компания Mcor Technologies использует вариант технологии, получившийназвание «Выборочное ламинирование» или SDL. Этот метод предусматриваетнанесения клея только в местах, входящих в состав расчетной модели, что облегчает процесс удаления лишнего материала. В отличие от стандартной технологии на основе лазерной резки, SDL использует механическую резку с помощью лезвия из карбида вольфрама.

Это позволяет несколько снизить стоимостьустройств.41Рисунок 23 – 3D-принтер Mcor Matrix PlusПроцесс печати протекает следующим образом: лист материала с клейким покрытием наносится на рабочую платформу(или нижние слои модели) с помощью разогретого ролика; контур слоя вычерчивается с помощью лазера; лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры удаления; платформа с готовым слоем передвигается вниз; в рабочую камеру подается новый лист материала; платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом.Цикл повторяется до завершения постройки модели, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия (сверление, шлифовка и пр.)Низкая себестоимость благодаря общедоступности расходных материалов.Бумажные модели приближаются по физическим характеристикам к древесине, что позволяет проводить соответствующую механическую обработку.Разрешение печати несколько уступает таким высокоточным методам, как стереолитография (SLA) или выборочное лазерное спекание (SLS).Технология допускает производство достаточно крупногабаритных моделей.421.3.10 Электронно-лучевая плавка (EBM)Электронно-лучевая плавка («Electron Beam Melting» или EBM) – метод аддитивного производства металлических изделий (рисунок 24).