babkin_oe_monografiya_3d_maketirovanie
.pdfоснове дифенилолпропана и инициирующей системы для области УФ-излучения.
Работа35 является ее продолжением – авторы усовершенст-
вовали свою композицию, дополнительно введя в состав диме-
такрилаты на основе бисмалеимидов, что позволило повысить точность размеров прототипов за счет снижения полимеризаци-
онной усадки.
В работе36 предлагается рецептура фоточувствительной ком-
позиции на основе акриловых олигомеров, полимеризующейся под действием излучения длиной волны 380-490 нм, преимуще-
ственно 410 нм, в присутствии инициирующей системы на основе титаноценового и карбонильного соединений, которые дополни-
тельно могут содержать производные бензоина, тиозамещенные кетоны, аминобензофеноны, ацилфосфинсульфиды, тиоксантоны и цианиновые красители. К сожалению, подобная рецептура не-
приемлема для целей оперативного прототипирования, даже при использовании оптимальных длин волн УФ-диапазона вблизи 410
нм скорость фотополимеризации составляет 0,1 мм/3 мин, что делает подобную композицию неконкурентоспособной на рынке современных фотополимеров стереолитографического назначе-
ния.
При введении в состав фотополимеризующихся композиций в качестве основы акриловых олигомеров с уретановыми группа-
__________
35Патент США № 6432607
36Патент США № 6468711
70
ми в олигомерном блоке и метакрилаты37 обеспечивается воз-
можность получения определенных физико-механических харак-
теристик конечных стереолитографических моделей. Однако ис-
пользование уретановых композиций позволяет получать в ос-
новном гибкие модели, тогда как часто стереолитографическая модель должна обладать определенной жесткостью. Гибкие про-
тотипы неудобны для случаев, когда прототипы используются совместно с деталями из конструкционных материалов, например металлических, существенно более твердых, чем уретановый прототип, и способных вызвать нежелательную деформацию по-
датливой пластиковой детали.
Механическая прочность прототипов, особенно ударопроч-
ность, достигается введением в композиции на основе акриловых олигомеров полиметилметакрилата (ПММА). 38,39
Вообще, доказано, что введение в композицию полиметил-
метакрилата не только влияет на прочностные характеристики готового изделия. Введение микродобавок полиметилметакрила-
та (ПММА) к композициям на основе акриловых олигомеров рез-
ко увеличивают скорость фотополимеризации без значительного изменения вязкости композиции. Эффект наиболее отчетливо проявляется при использовании 0,2÷0,8 мас.% ПММА.
Ниже этого предела увеличение скорости недостаточно для реализации метода лазерной стереолитографии, а при более высо-
__________
37Патент США № 7211368
38Патент США № 6462129
39Патент США № 6486234
71
ком содержании полимера сильно повышается вязкость компози-
ции, что препятствует растеканию жидкости в рабочей емкости и снижает производительность процесса.
К слову сказать, фотополимеризующиеся композиции из полимеризационноспособных олигомеров и низковязких актив-
ных разбавителей (исключительно акриловых, а не метакрило-
вых, производных) являются стандартным решением для компо-
зиций УФ-диапазона.40 Они обладают достаточной фото-
чувствительностью для целей оперативного прототипирования изделий произвольной формы в условиях лазерной 3D стереоли-
тографии с использованием экономичных и малогабаритных ла-
зеров с длиной волны 530 нм, но не могут применяться, напри-
мер, при изготовлении изделий биомедицинского назначения, так как все полимеризующиеся компоненты композиции (диакрилат гександиола или триакрилаттриметилолпропана и лолпропана и этоксилированный диакрилат дифенилолпропана) относятся к умеренно опасным соединениям (3 класс опасности по ГОСТ
12.1.007). В то время как предлагаемые к использованию метак-
рилаты41-45 относятся к малоопасным соединениям (4 класс опас-
ности по ГОСТ 12.1.007). Кроме того, метакриловые аналоги имеют меньшую вязкость и более высокие прочностные характе-
__________
40Патент РФ № 2244335
41Патент РФ № 2127444
42Патент РФ № 2395827
43Патент РФ № 2057092
44Патент США № 6432607
45Патент США № 6468711
72
ристики опасности по ГОСТ 12.1.007). Кроме того, метакриловые аналоги имеют меньшую вязкость и более высокие прочностные характеристики получаемых изделий. В работах46-48 рассмотрены базовые основы составления фотополимеризующихся компози-
ций для целей оперативного прототипирования с использованием излучения длиной волны 410 нм. В частности, рассмотрены зако-
номерности поведения отдельных составляющих композиции
(олигомеры, мономеры, фотоинициаторы) и их влияние на такие характеристики процесса, как скорость полимеризации, полиме-
ризационная усадка, а также прочность образующегося изделия.
Показано, что по выбранным критериям реакционной способно-
сти и полимеризационной усадки наиболее предпочтительным оказалось использование в качестве олигомера ароматических уретановых акрилатов с молекулярной массой ~ 2000 и функцио-
нальностью 3. Несмотря на нестойкость подобных соединений к длительному воздействию света (пожелтение в процессе некон-
сервационного хранения) они обладают широким спектром свойств: стойкость к царапинам, гибкостью и высокой реакцион-
ной способностью.
Также показано, что выбор в качестве олигомера высоко-
функциональных ароматических уретановых акрилатов требует
__________
46Исследование возможности использования голографических изображений при создании 3D моделей методом фотополимеризации: отчет о НИР в 2 ч. / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 44с.; 27 с; илл., прил.
47Создание и практика применения полимерных композитных материалов: отчет о НИР / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2012. – 153 с.; (разд.1) ; илл., прил.
48Разработка фотополимерной композиции для 3D макетирования изделий: отчет о НИР / Бабкин О.Э. – СПб.: СПбГУКиТ, 2013. – 34 с.
73
обязательного использования в системе активного разбавителя,
мономера с молекулярной массой ~ 200 и небольшой функцио-
нальностью (1, 2). Результаты проведенных экспериментов дока-
зывают предпочтительное использование смеси активных разба-
вителей: дипропиленгликольдиакрилата (молекулярная масса
242, функциональность 2) и изоборнилакрилата (молекулярная масса 222, функциональность 1). Выбор обусловлен данными, что ароматические диизоцианаты в системе с дипропиленгликольди-
акрилатом обеспечивают высокую реакционную способность и минимальную усадку, но при этом система характеризуется слишком высокой вязкостью, и для улучшения физико-
механических показателей композиции в систему добавляется мономер изоборнилакрилат.
Также доказано, что технологически и экономически оправ-
дано использование в качестве фотоинициатора соединения 2,4,6-
триметилдифенилфосфиноксид.
Хотя данное соединение имеет длинноволновый максимум по-
глощения на 393 нм, оно показа-
ло хорошую реактивность и под действием лазерного излучателя с длиной волны 408 нм и под
действием лампы ДРТ400, что |
Рис.22 – 2,4,6- |
|
триметилдифенилфосфиноксид |
||
указывает на универсальность |
||
|
его применения в различных технических решениях процесса по-
74
слойного формирования трехмерного объекта в среде жидкой фо-
тополимерной композиции.
Достаточно серьезным вопросом до сих пор остается полу-
чение цветных фотополимерных прототипов, не требующих до-
полнительной покраски. В предлагаемом на сегодняшний день ассортименте материалов предлагается использование 18 цветов для принтеров, работающих по FDM-технологии; в технологии
SLA по-прежнему работают всего два цвета – серый и синий, в
основном же предлагается получение прозрачных и полупро-
зрачных моделей.
Сложность с цветностью стереолитографических компози-
ций определяется ограничением по использованию пигментов,
способных существенно снизить степень полимеризуемости ком-
позиции при введении их в композицию. Процесс отверждения может замедляться или вообще не протекать в пигментированных композициях вследствие того, что большинство применяемых пигментов поглощает УФ-лучи в той же спектральной области,
что и фотоинициаторы. Кроме того, важную роль в процессе по-
лимеризации наполненных композиций играют природа пигмен-
та, а также его размеры и форма.
Попытке решения этого вопроса, в частности, изучению воз-
можности использования в фотополимеризующихся композициях минеральных и органических пигментов, выявлению концентра-
ционных зависимостей изменения эффективности процесса по-
лимеризации для различных пигментов, выработке рекомендаций по использованию пигментов различной природы для получения
75
жидких фотополимеризующихся композиций посвящен ряд оте-
чественных разработок 49-52.
__________
49Бабкин, О.Э. Пигментированные индустриальные покрытия УФ-отверждения [Текст] / О.Э.Бабкин, Л.А. Бабкина, М.А. Максимова, О.И. Соколова // Тезисы XIV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии 2012». – Тула, 2012. – 566 с. – С. 381.
50Максимова, М.А. Рецептурные особенности эмалей УФ-отверждения [Текст] / М.А. Максимова, О.Э. Бабкин, Л.А. Бабкина, А.Г. Есеновский, С.В. Проскуряков // Лакокрасочные материалы и их применение, 2012. – № 6. – С. 56-59.
51Бабкин, О.Э. Особенности пигментирования композиций УФ-отверждения [Текст] / О.Э. Бабкин, Л.А. Бабкина, М.А. Максимова, А.Г. Есеновский, С.В. Проскуряков // Материалы Пятой Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» (24-30 сентября 2012 г. СПб-Хилово. - СПб: изд-во СПбГТИ (ТУ), 2012. – 316 с. – С. 180-181.
52Соколова, О.И. Влияние природы пигмента на реакционную способность эмалей УФотверждения [Текст] / О.И. Соколова, М.А. Максимова, О.Э. Бабкин // Сборник материалов I Международной научно-практической конференции. Под общ. ред. С.С. Чернова. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2012. – 229 с. – С.139-142.
76
§ 4. Проекты и перспективы развития
Проект RepRap
Проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper, самовоспроиз-
водящийся механизм для быстрого изготовления прототипов) –
инициативный проект, стартовавший несколько лет назад и на-
правленный на создание самокопирующегося аппарата, предна-
значенного для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства.
В первую очередь, задачей проекта стояло создание бюд-
жетной модели, должной стать альтернативой промышленным дорогостоящим 3D принтерам, цена которых на рынке доходит до $100,000 без учета комплектации материалами, а средняя стоимость фотополимера в стандартной упаковке составляет сей-
час $250÷$300 / 1 галлон (3,8 л). Стоимость композитных мате-
риалов на основе гипса или керамики колеблется в более низком стоимостном диапазоне, но двухтрехкратная дешевизна основ-
ного материала перекрывается стоимостью дополнительных
(фиксирующие составы, закрепители, материалы поддержек и т.д.).
Правда, авторы позиционировали и более глубокие задачи,
скорее философского содержания, например, развитие тенденции самокопирования (имелось в виду самостоятельное макетирова-
ние авторских изделий, а оно, по мнению авторов, имея вирусный характер, должно будет породить эволюцию развития, например,
77
в рекламе и авторском дизайне).53
По сути, проект представляет собой разработку аппарата
(3D принтера) с общедоступными наработками, который позво-
лит пользователю по авторской или скаченной из общедоступно-
го в Интернете портала цифровой модели прототипа самостоя-
тельно получить изделие без необходимости создания дополни-
тельной производственной инфраструктуры. Предполагалось да-
же, что проект станет одной из «прорывных технологий», срав-
нимой с появлением на рынке персональных компьютеров.
Фактически, идеологи проекта предлагают создание малой
«настольной» производственной системы, позволяющей незави-
симо от местоположения производить продукцию, например, по-
вседневного обихода в свободной спецификации, что должно значительно снизить время для инноваций в развитии товара и расширении его ассортимента, чего не может себе позволить за-
водское производство. Особым условием проекта является конст-
руирование (самокопирование) аппарата: пользователь получает комплектацию аппарата и софт, самокопирует детали для сборки своего личного аппарата и затем передает комплектацию друго-
му. Эксплуатация аппарата в дальнейшем зависит только от творческой мысли его обладателя: дизайн, сувениры, одноразовая посуда, предметы домашнего обихода личного пользования или для продажи – границы применимости собранного аппарата оп-
ределяются только размерами рабочей камеры и материалом для
__________
53 [Электронный ресурс]: режим доступа – http://reprap.org
78
выбранной технологии прототипирования.
Проект RepRap был основан в 2005 г. Адрианом Боуером
(Великобритания), в том же году было получено финансирование для начальных разработок от Совета по инженерным и естест-
веннонаучным исследованиям Великобритании (Engineering and Physical Sciences Research Council). Уже к сентябрю 2006 г. аппа-
рат «RepRap 0.2» напечатал первую деталь, которая впоследствии была использована для замещения идентичной детали его же конструкции, изначально созданной коммерческим трёхмерным принтером.
|
К началу 2008 г. была соз- |
|
|
дана новая модель «RepRap 1.0 |
|
|
Darwin» (рис. 23)54, способная |
|
|
воспроизводить |
потребитель- |
|
ские предметы (одним из пер- |
|
|
вых прототипов стал зажим для |
|
|
крепления iPod на панели Ford |
|
|
Fiesta), в том числе запчасти к |
|
|
собственной конструкции, ана- |
|
|
логичные производимым на |
|
Рис.23. Аппарат |
профессиональных |
принтерах, |
«RepRap 1.0 Darwin» |
и работающие печатные платы. |
Аппарат «RepRap 1.0 Darwin» использовал в качестве моде-
лирующего материала 3-мм поликапролактоновую нить (матери-
__________
54 Фотография [Электронный ресурс]: режим доступа – http://reprap.org
79