Технологии 3D печати

Стереолитография (Stereolithography - STL)

В середине 80-х годов Чарльз Халл (Charles Hull) усмотрел идею своей RP-системы в свойстве фотополимеров затвердевать под воздействием ультрафиолетового излучения. STL-установка оснащена контейнером с жидким полимером, в который погружается плоская полочка так, чтобы она едва выглядывала. Под действием управляемого компьютером излучения происходит затвердевание слоя толщиной в несколько сотых миллиметра, при этом полочка опускается вниз и снова покрывается жидкостью. Далее все повторяется - в результате ультрафиолетовый луч «рисует» объемную фигуру. Именно такой процесс получил наибольшее распространение среди других систем. Самое существенное его неудобство - необходимость создания поддерживающих элементов, если площадь верхнего поперечного сечения детали больше нижнего. Получив патент на стереолитографию, Халл основал коммерческую компанию 3D Systems, которая в 1987 г. представила общественности первый STL-принтер. Доля продукции этой компании, предлагающей ряд установок разного типа стоимостью от 65 до 490 тыс. долл., немного меньше половины всего рынка 3d систем.

Селективное лазерное спекание
(Selective Laser Sintering - SLS)

Метод SLS был изобретен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г. и используется такими компаниями, как, например, DTM Corporation и EOS. Суть технологии заключается в послойном спекании лазерным излучением порошкового материала. В рабочей камере он предварительно подогревается, чуть не доходя до температуры плавления. После разравнивания порошка по поверхности зоны обработки CO2-лазером спекается требуемый контур, далее насыпается новый слой, разравнивается, и процесс повторяется. Готовая модель извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются. Использование широкого спектра недорогих и нетоксичных материалов (порошковые полимеры, литейный воск, нейлон, керамика, металлические порошки), низкие деформации и напряжения, возможность одновременно делать сразу несколько моделей в одной камере - все это обеспечивает SLS довольно высокие рейтинги на рынке систем быстрого прототипирования. Однако при этом полученные изделия имеют шероховатую и пористую структуру, а при изменении материала требуется чистка всей камеры. Стоимость установок - около 400 тыс. долл.

Послойная заливка экструдируемым расплавом
(Fused Deposition Modeling - FDM)

Идея создания процесса принадлежит Скотту Крампу (Scott Crump), который вскоре после этого изобретения, в конце 80-х, вместе со своей женой основал компанию Stratasys. Основной частью принтера, появившегося на рынке в 1991 г., является экструдирующая головка. В ней материал (литейный воск или пластик, поступающие на катушках) предварительно нагревается до температуры плавления и подается в зону печати. Головка перемещается по двум координатам, синтезируя определенный слой модели. Затем платформа опускается, создается следующий слой и т. д. В качестве плюсов FDM можно отметить: легкость перестройки с одного нетоксичного материала на другой, низкие затраты и достаточно высокую производительность, малые температуры переработки, а также минимальное вмешательство оператора в функционирование оборудования. В то же время данная технология не лишена и недостатков: между слоями образуются швы; головка экструдера должна постоянно двигаться, иначе материал застынет и засорит ее; возможно расслоение в случае температурных колебаний в течение цикла обработки. Ориентировочная стоимость FDM-принтера 50-220 тыс. долл.

Послойное формирование объемных
моделей из листового материала
(Layer Object Manufacturing - LOM)

LOM-технология была изобретена Михаилом Фейгеном (Michael Feygin) в 1985 г., а сегодня на ее основе производят промышленные установки такие фирмы, как Helisys, Paradigm и Sparx AB. Листовой материал (бумага, пластик, керамика, композиты или полиэстер) раскраивается по заданному контуру с помощью CO2-лазера (можно одновременно раскраивать более одного листа, однако точность при этом уменьшается), а затем нагреваемый валик осуществляет склеивание слоев. При ошибке в процессе синтеза объемного изделия часть слоев можно удалить. LOM-установки, ориентировочная стоимость которых колеблется в пределах 90-250 тыс. долл., позволяют применять широкий диапазон недорогих листовых материалов и синтезировать модели с минимальными деформациями благодаря отсутствию физико-химических превращений. Однако из-за того, что лазер не всегда полностью прорезает лист, усложняется удаление отходов и даже не исключено повреждение деталей, а свойства материала могут изменяться. Шероховатую поверхность изделия трудно обрабатывать из-за возможности расслоения.

Послойное уплотнение
(Solid Ground Curing - SGC)

Процесс был разработан израильской фирмой Cubital в 1987 г. и по своей сути подобен фотокопии. С помощью специального тонера на избирательно заряженной стеклянной пластине создается фотомаска (шаблон) основания модели. Эта фотомаска размещается над тонким слоем фотополимера, распределенным по поверхности рабочего стола, после чего экспонируется ультрафиолетовой лампой. В результате слой фотополимера, который соответствует используемому в данный момент шаблону, затвердевает; жидкие остатки удаляются, а полости заполняются расплавленным воском, и он быстро застывает. Затем процесс повторяется: создается фотошаблон для следующего сечения, по рабочему столу распределяется новый слой фотополимера и т. д. SGC-технология обладает рядом неоспоримых преимуществ: модели синтезируются без подпорок и не требуют дальнейшей обработки; процесс можно приостановить, чтобы удалить дефектные слои, и позже возобновить его. Интересные перспективы открывает также возможность создавать объекты с движущимися составными частями. Стоит отметить, что эта установка очень тяжелая, шумная и требует постоянного присутствия оператора. Ряд проблем связан с полимерами: их выбор ограничен, они дороги, токсичны, а при перегреве повторное использование этих материалов становится невозможным. На рынке представлены два устройства такого типа: Solider 4600 и 5600, их стоимость - соответственно 275 и 470 тыс. долл.

Быстрое прототипирование стало важнейшей частью процесса проектирования. Расширение использования компьютерного твердотельного моделирования обеспечивает быстрое распространение описанных технологий и снижение их рыночных цен, повышаются качество материалов и точность изготовления моделей. Все это говорит о том, что технологии и системы 3d печати будут занимать все большее место в нашей жизни.

По информации midgart.ru

Автор: