книги / Промышленное применение лазеров
..pdf4.3.5. Лазерная стереолитография
На основе фотоинициированной лазерным излучением полимери зации разработана технология лазерной стереолитографии, реализующая принцип формирования трехмерных объектов по их компьютерным мо делям путем послойного наращивания материала (см. в следующем раз деле). Создан тииоряд установок для лазерной стереолитографии, освоен их выпуск опытным производством ИШ1ИТ РАН.
4.4. Технологии быстрого прототипирования
При разработке и производстве продукции в условиях жесткой конкуренции на мировом рынке появляется необходимость постоян ного обновления выпускаемых изделий при сокращении времени и средств на их разработку, возрастает сложность конструкции изде лий для получения нового качества, возникает необходимость опера тивного конструирования и изготовления ряда прототипов объектов для выбора оптимального варианта разработки, требуется производст во небольших партий продукции, а также оперативное реагирование на изменяющиеся запросы потребительского рынка. С начала 80-х гг. интенсивно развиваются методы формирования изделий не удалением материала (фрезерованием, электроэрозионной обработкой) или изме нением формы заготовки (штамповкой, прессованием), а постепенным наращиванием материала или изменением фазового состояния веще ства в заданной области пространства. В настоящий момент значи тельное развитие получил метод послойного формирования трехмер ных объектов по их компьютерным образу, получивший название бы строго прототипирования {Rapid Prototyping) или настольного производства {DeskTop Manufacturing).
Одним из основных недостатков изготовления моделей, осо бенно металлических, является длительность технологического про цесса. Поэтому в конце 1980-х гг. ведущие промышленные фирмы стали использовать концепцию CM {Compact Intelligent Manufacture)
компактного интеллектуального проектирования и новые технологии
быстрого прототипирования RP (Rapid Prototyping), основанные на использовании компьютеров и технологических лазеров.
В настоящее время существует большое число методов быстро го прототипирования. Для технологов-литейщиков представляют интерес такие новые технологии, как лазерная стереолитография SLA (Stereo Litografi Apparatus), селективное лазерное спекание SLS (Selective Laser Sinerung), нанесение слоев ламинированного мате риала LOM (Laminatet Object Manufacturing) и изготовление прото типов из легкоплавких материалов FDM (FusedDeposition Modeling).
Развитие вычислительной техники, способной оперировать трех мерными образцами, а также успехи, достигнутые в разработке и освое нии пучковых (в том числе и лазерных) технологий обработки материа лов стали основой развития технологий послойного синтеза трехмерных объектов практически любой сложности габаритами до 1 м3
Технологии, основанные на методах быстрого прототипирования, работают по следующей схеме: с помощью ЭВМ, используя систему трехмерного геометрического проектирования, создают цифровую гео метрическую ЗЭ-модель будущего изделия, затем полученную модель обрабатывают по специальной программе, которая разбивает ее на тон кие плоские сечения с шагом 10-5-200 мкм. Таким образом, осуществля ют ее описание с помощью плоских контуров сечений (соответствую щих каждому слою) и по завершению обработки передают на испол няющий технологический модуль. На рис. 4.18 представлена классификация существующих методов быстрого прототипирования.
Можно выделить 3 направления применения методов быстрого прототипирования в литейном производстве.
I направление. Использование прототипов в качестве постоя ных моделей при песчаной формовке, так же как деревянных, эпок сидных и металлических. В этом случае от них требуется высокая прочность, точность, низкая гигроскопичность.
Модели, полученные SLA, SLS, FDM-технологиями, отличают ся высокой прочностью, негигроскопичны, требуют минимальной дополнительной обработки (шлифования, полировки и т.п.).
К) |
Рис. 4.18. Методы быстрого прототипирования |
4^ |
Модели, полученные LOM-технологией, гшроскопичны и имеют небольшую точность и прочность (но выше, чем у деревянных). По сле доработки и пропитки лаком эти модели могут быть широко ис пользованы для песчаной формовки. Возможности LOM-технологии
в настоящее время не использованы полностью. |
|
|
|
Так, меняя материалы (основной и адгезионный |
слои), |
вводя |
|
в них различные наполнители, |
можно создавать |
композиции |
|
с требуемыми эксплуатационными |
свойствами. Кроме |
того, |
стои |
мость установки, изготовляющей модели, в ] 0 раз дешевле, чем SLА, и можно получать различные по габаритам модели. Еще одно приме нение LOM-моделей предложено фирмой МСР Crout: на поверхность модели плазменным напылением наносят металлическое покрытие толщиной 1,5-КЗ,2 мм. Модель можно использовать для изготовления пресс-форм, форм для литья штампов и т.п.
II направление. Использование быстрого прототипирования целесообразно для изготовления стержневой оснастки, форм для вы полнения восковых моделей, многоразовых форм для литья легко плавких сплавов и т.п. Здесь наибольшие возможности имеет SLS-технология.
III направление. Изготовление одноразовых моделей для литья по выплавляемым либо выжигаемым моделям - это SLA- и FDMтехнологии.
Компания RAPID Technologies продвигает на российский рынок современные методы и технологии быстрого прототипирования и тиражирования.
Укрупнено все технологии быстрого прототипирования приня то относить к методам, основывающимся на добавлении материала (в отличие от классической механообработки). Технологии принято подразделять по типу расходных материалов (жидкие, порошкооб разные и листовые твердотельные).
Процессы, использующие жидкие расходные материалы, под разделяются, в свою очередь, на процессы отвердения посредством контакта с лазером, отвердения элсктрозаряженных жидкостей или отвердения предварительно расплавленного материала.
Процессы, использующие порошкообразные материалы, осу ществляют скрепление частиц посредством воздействия лазером или выборочного нанесения связующих компонентов.
Каждая из описанных ниже технологий имеет свои особенности и обладает преимуществами и недостатками при решении конкрет ных задач.
4.4.1. Технология нанесения слоев лам инированного
материала LO M (L am inated O bject M anufacturing)
Лидером в изготовлении моделей на основе раскроя листового материала с последующим спеканием является фирма Helisys Inc (Tor rance, California, USAЛ которая в 1986 г. получила патент на техноло гию и оборудование и с 1991 г. приступила к реализации своих систем.
Сущность формообразования при использовании LOM-техно логии заключается в том, что последовательно наносится слой лами нированной с одной стороны бумаги (рис. 4.19).
Способность LOM-процесса работать практически с любым листовым материалом позволяет использовать не только бумагу, но и пластмассы, полимерные композиты, металлы, керамику и даже хматричные керамические композиты. Луч лазера (ССЬ-лазер мощно стью в луче 20+200 Вт) вырезает на глубину листа необходимый контур (сечение). Затем сверху него протягивается новый лист бума ги, который прижимным подогретым валиком приклеивается к пре дыдущему слою. Стол, перемещаясь по вертикали, формирует высо ту модели. После построения всех сечений на листах бумаги получа ется «брикет» с моделью внутри, который извлекают из установки
ис помощью лопаток и стамесок отделяют лишние части (подпорки)
иосвобождают модель. После предварительной обработки модель шлифуют и пропитывают лаком, в результате чего поверхность при обретает шероховатость - 10 мкм, а модель по внешнему виду напо минает изделие, изготовленное из дерева.
б
Рис. 4.19. Технология нанесения слоев ламинированного материала LOM:
а- принципиальная, схема LOM-процесса;
б- типовые модели, полученные с применением LOM-
технологии
Затем неровности по линии реза удаляются вручную. Поверх ность получаемого изделия (модели) шлифуют и покрывают лаком.
На LOM-модели можно плазменным напылением нанести ме таллическое покрытие толщиной 1,5~3Г2 мм, тем самым превратив их практически в металлические.
Эта технология особенно эффективна для изготовления твердо тельных деталей и деталей с толщиной стенок более 3 мм. По внешнему виду прототипы (модели), изготовленные по этой технологии, напоми нают деревянные, но по физическим характеристикам превосходят де рево и применяются в металлургическом производстве для получения оснастки (литье в землю, литье по выплавляемым моделям).
Достоинством метода является большая производительность процесса и дешевый материал, чго обеспечивает популярность этого метода. При этом можно использовать исходный листовой материал с толщиной 5(Н400 мкм. Полученные модели обрабатываются анало гично моделям из дерева.
Преимущества процесса - в наличии широкого спектра относи тельно недорогих исходных материалов. Один из наиболее популяр ных материаловбумага. Прототипы, изготавливаемые по этому процессу, имеют самые большие линейные размеры среди изделий, изготовленных по технологиям других типов. Также велика и ско рость изготовления изделия: в 5-40 раз быстрее, чем по другим тех нологиям. Точность процесса: ±127 мкм.
Изготовленные модели без обработки имеют точность, соответ ствующую 13-44 квалитетам.
Недостатком данной технологии является гигроскопичность моделей.
К недостаткам процесса относится ступенчатость получаемых поверхностей, что требует дополнительной обработки изделия, кро ме того, существуют проблемы с удалением материала из внутрен них полостей, а также большое количество отходов при изготовле нии объектов-прототипов.
Установка LOM1015 позволяет получать детали габаритными размерами до 381x254*355 мм, точность позиционирования лазера ±0,25 мм. Прототипы с большими габаритными размерами изготав ливаются по частям с последующей сборкой. При этом гарантирует ся соответствие собранной детали конструкторской документации.
Существуют установки с размером рабочей камеры 560*810*500 мм.
Изготовленные модели гигроскопичны, имеют большую проч ность, чем деревянные модели, но меньшую, чем SLA-модели. Мо дели LOM-технологии .могут быть широко использованы (после со ответствующей пропитки) для изготовления песчаных форм, тем бо лее что установки LOM-технологии, по крайней мере, в 10 раз дешевле, чем SLA-установки.
4.4.2. Л азерная стереолитография SLA
(Stereo Lithograph Apparatus)
Впервые метод был запатентован Халлом в 1986 г., а первая уста новка SLA-1 продана в 1987 г. В настоящее время фирма 3D Systems Согр. (Valencia, California, USA) владеет патентом на технологию и обо рудование для стереолитографии. В установке SLA используется луч диаметром 0,1-И,2 мм фиолетового или ультрафиолетового диапазона гелий-кадмиевого (Ие - Cd), эксимерного или аргонового (Аг3+.)лазера.
Наибольшее распространение получила технология SLA лазер ной стереолитографии, по которой производится объемное пластико вое изделие послойным отверждением фотополимеризуюшейся ком позиции (ФПК) с помощью лазерного луча по трехмерной компью терной модели.
Модель строится на платформе, перемещающейся в направле нии оси построения моделей (Z) и находящейся внутри ванны с жид ким полимером.
Луч лазера по заданной программе последовательно очерчивает на поверхности жидкого полимера контуры слоев, на которые разбита трехмерная модель. Под его воздействием слой фотополимера мгновен но полимсризуется (отверждается) и затем опускается в ванну с жидким полимером на толщину затвердевающего слоя (0,1^0,15 мм).
Толщина слоя и поверхность калибруется специальным скреб ком - ракелем. Поверхность жидкого фотополимера выглаживают специальной рейкой и процесс повторяется. Синхронно управляя сканированием луча в плоскости XY (горизонтальной) и формируя по
оси Z высоту модели (путем погружения стола с моделью в толщу фотополимерной композиции), получают трехмерную модель.
Далее процесс повторяют для другого сечения трехмерной модели. За последние десятилетия в РФ наряду с более чем десятью за рубежными вариантами установок появились аналоги отечественно го производства, например лазерная стереолитографическая установ ка ЛС-250 ИПЛИТ РАН (г. Шатура). Данные лазерные установки оснащены отечественным программным обеспечением и работают на фотополимерах как импортного, так и российского производства
(рис. 4.20).
Установка предназначена для:
-исследования фотоинициируемой полимеризации;
-послойного изготовления трехмерных объектов;
-изготовления копий трехмерных объектов по томографиче ским и видеограмметрическим данным.
Установка оснащена следующим оборудованием: компьютером для подготовки данных, управляющим компьютером, He-Cd-лазером
фирмы «Плазма» (г. |
Рязань) с длиной волны |
излучения А.^325 нм |
и мощностью Р=30 |
мВт, двухкоординатным |
сканатором фирмы |
«Cambridge Technology» с оптической точностью позиционирования 12 мкрад, устройством для перемещения рабочей платформы с диапазоном перемещения 250 мм и точностью ±10 мкм.
Установка позволяет послойно изготавливать трехмерные объекты (рис. 4.21) с размерами до 250x250x250 мм по их компь ютерным образцам в STL формате из отверждаемых УФ излуче нием He-Cd-лазера жидких фотополимеризующихся композиций.
Полимерные стереолитографические прототипы отливок приме няются также для изготовления силиконовых форм, которые затем используются для литья заготовок из цинка и пластмасс, ранее полу чаемых литьем под давлением. По данным зарубежных экспертов, ес ли на изготовление механически обработанной стальной пресс-формы требуется 3+4 месяца и ее себестоимость составляет 15+40 тыс. руб., то эластичную силиконовую форму можно изготовить менее чем за сутки и она дешевле в 20+30 раз.