Способы материализации 3D- моделей

Используемые способы материализации 3D - моделей получили условное обозначение, состоящее из начальных букв слов, составляющих их название:

- SL (SLA) – Stereolithography – способ стереолитографии;

- SLS (LS) – Selective Laser Sintering – избирательное лазерное спекание;

- LOM – Laminated Object Manufacturing – изготовление слоистых объектов;

- FDM – Fused Deposition Modeling – моделирование оплавлением;

- SGC – Solid Ground Curing – основное термическое воздействие;

- ВРМ – Ballistic Particle Manufacturing – изготовление с использованием баллистики;

- DLF – Directed Light Fabrication – изготовление направленным светом;

- DSPC – Direct Shelf Production Casting – прямое блочное изготовление оболочки;

- MJS – Multiphase Jet Solidification – многофазное отвердение струи;

- 3Drinting – TDP – Three Dimensional Printing – по принципу трехкоординатной глубокой печати.

Рассмотрим некоторые из этих способов более подробно.

Стереолитография (Stereolithography – SLA) стала первой коммерческой реализацией технологии послойного воспроизведения. В устройствах данного типа строительным материалом является специальная вязкая жидкость, затвердевающая под воздействием ультрафиолетового излучения (фоточувствительная синтетическая смола). Устройство (рис. 2) представляет собой ванну, заполненную «строительным материалом», с плоской

Рис. 2 Схема материализации 3D - модели способом стереолитографии:

1 – твердотельная модель (прототип); 2 – строительный материал (фоточувствительная синтетическая смола); 3 – зеркало сканирующей системы; 4 – лазер; 5 – выравнивающая линейка; 6 – отверстие для слива строительной жидкости

платформой, которая перемещается в вертикальном направлении. Над ванной расположен лазер, луч которого перемещается по горизонтальной плоскости.

Изготовление детали (прототипа) происходит в следующей последовательности. Платформа опускается в ванну на глубину, равную толщине одного слоя будущей детали. При этом слой жидкости покрывает поверхность платформы. Управляемый компьютером лазерный луч обводит контур первого слоя, а затем методично сканирует все пространство внутри этого контура. Под воздействием лазерного излучения происходит локальное затвердевание строительной жидкости, – таким образом, появляется первый слой будущего объекта. После завершения первого слоя платформа опускается на глубину следующего слоя. При этом уже отвержденное пятно первого слоя оказывается под слоем строительной жидкости, равномерность толщины которого обеспечивается скользящим проходом специального лезвия (выравнивающей линейки). Второй и последующие слои отверждаются так же, как и первый, - с тем лишь отличием, что теперь каждый новый слой осаждается не непосредственно на строительной платформе, а на поверхности предыдущего. Так, слой за слоем, процесс продолжается до полного завершения построения объекта, после чего платформа поднимается, а избытки строительной жидкости свободно стекают в ванну. Построенный таким образом объект промывают и сушат, после чего он готов к демонстрациям или испытаниям.

Основное термическое воздействие (SGC). Способ основывается на принципе фотополимеризации. В этом способе каждый слой поверхности строится последовательно – точка за точкой – при помощи маски и UV -лампы. Исходя из описания геометрии детали в STL -формате, происходит сооружение геометрии через взаимодействие двух раздельно существующих циклов. В первом происходит изготовление маски-негатива, которая служит основой для построения прототипа. В собственно формообразовании конструкции прототипа участвует, прежде всего, слой тонкого жидкого полимера, накладываемого на диск носителя. На заранее произведенной маске наносится фотополимер (воск) и происходит его наращивание. После охлаждения воска происходит опускание слоя на определенную толщину, как правило, 0, 15 мм. Затем начинается цикл образования обновлением восковой маски и наслоением жидкого фотополимера. Использование воска в качестве опорной конструкции является характерным для технологии SGC.

Моделирование оплавления (Fused Deposition Modeling – FDM). В FDM -процессе исходным материалом служит пластиковый шнур, который разматывается с подающей катушки и поступает в перемещаемое в горизонтальной плоскости устройство (рис.3). Устройство состоит из нагревателя, расплавляющего пластик, и форсунки, через которую расплав выдавливается в рабочее пространство машины. Так же, как и в прочих методах послойного воспроизведения, в данном процессе присутствует перемещаемая в вертикальном направлении строительная платформа. Процесс изготовления новой модели начинается в тот момент, когда платформа находится непосредственно под форсункой.

Перемещаемая под управлением компьютера форсунка описывает запрограммированный контур, при этом выдавленный пластик формирует границу первого слоя. Далее методичными штрихами заполняется все пространство внутри контура. После завершения первого слоя платформа опускается на соответствующую глубину, и процесс продолжается. В общем случае толщина слоя составляет 0, 025 – 1, 25 мм, толщина стенки – между 0, 22 и 6 мм.

Выдавленный из форсунки расплав (он попадает на платформу или на слой уже затвердевшей пластмассы) быстро затвердевает, схватываясь при этом с прилегающими порциями ранее размещенного материала. Таким образом, формируется достаточно прочная структура.

Для формирования суппорта (если необходимость такового обусловлена геометрией модели) используется аналогичный механизм, что и для размещения основного материала. В качестве материала для формирования поддерживающих структур используется нить менее прочного пластика, - она подается с отдельной катушки и выдавливается через отдельную форсунку.

Рис. 3 Схема материализации 3D - модели способом оплавления:

1 – твердотельная модель (прототип); 2 – инжекционное сопло; 3 –нагревательная головка; 4 – механизм подачи материала; 5 – строительный материал (пластиковый шнур); 6 – отверстие для удаления строительного материала

Трехкоординатная (трехмерная) печать (3D Printing, или ТОР). В 3 DP -процессе исходным материалом служит порошок, для соединения частиц которого вместо лазерного луча используется печатающая головка, аналогичная тем, что применяются в офисных струйных принтерах (рис.4).

Через сопла печатающей головки на поверхность порошкового слоя подается связующий раствор. Перемещаемая в горизонтальной плоскости печатающая головка распределяет раствор по поверхности порошкового слоя - точно так же, как струйные принтеры и плоттеры распределяют чернила по поверхности бумаги. Связующий раствор пропитывает порошок, прочно склеивая его частицы. После того как завершается «печать» первого слоя, строительная платформа опускается. Поверх первого слоя распределяется новая порция исходного материала. Этот процесс продолжается до полного завершения построения модели.

В способе, основанном на принципе ТОР, зерна расплавляются, и исходный материал при помощи жидкого связующего соединяется в единое. Связь зерен происходит под действием инжектора растапливающего сопла, который управляется от ХУ -данных (двумерных данных) о слое, полученных при компьютерном расчете слоистой модели. При этом способе возможно изготовление керамических форм и форм для метода точного литья.

Рис. 4 Схема материализации 3D - модели на 3D -принторе:

1 – ролик подачи порошка; 2 –связующий раствор; 3 – печатающая головка;

4 – твердотельные модели (прототипы); 5 – строительный материал (порошок); 6 – механизм подачи строительного материала (порошка)

Рассмотренные способы не исчерпывают уже имеющегося арсенала RP -технологий. Ведутся интенсивные поиски новых вариантов, комбинирование уже зарекомендовавших себя способов, новых материалов и сплавов.