Стереолитография

В начале 80-х гг. XX в. Чарльз Холл (Charles Hall) из корпорации Ultra Violet Products (UVP) разработал систему, способную автоматически изготавливать детали сложной формы. Халл ввел в 1984 г. в обращение термин стереолитография (stereolithography) и в 1986 г. основал корпорацию 3D Systems Inc., которая c 1988 года нача­ла производить стереолитографические аппараты (stereo lithography apparatus — SLA).

Передвижная платформа или подъемник (A), первоначально помещены на низ поверхности резервуара (B), который заполняется жидкой полимерной смолой (C). Ванна с полимером обычно вмещает 20-200 литров. Этот материал имеет особенность - отверждаться под действием ультрафиолетового излучения. В основном используются He-Cd или Ar-ионный лазеры, работающие в области УФ излучения (длина волны 320-370 нм). Физика процесса основана на поглощении фоточувствительным полимером лазерного излучения конкретной длины волны, в результате чего в месте поглощения наблюдается процесс радикальной полимеризации (т.е. отверждения) полимера. Обычно используются материалы, которые отвердевают при использовании ультрафиолетового излучения, но бывают смолы, которые отвердевают под воздействием видимого излучения. Фотополимер очень светочувствителен и токсичен, поэтому ванна должна быть защищена от света и иметь проточную вентиляцию.

Лазерный луч перемещается по поверхности жидкого фотополимера, чтобы "очертить" геометрию сечения объекта. Смола застывает только там, где ее касался лазерный луч, который перемещается в плоскости X-Y под управлением сканирующей системы (D). Сканирующая система включает в себя дефлектора, которые управляют зеркалами, причем информация о перемещениях поступает из CAD данных. Таким образом, лазерный луч перемещается очень быстро и по заданному контуру.

Модель опускается вниз (прибл. на 0.5"=1,3 мм). В течении некоторого времени ее поверхность заполняется неполимеризованной жидкостью, далее нивелирующее устройство (Е) удаляет излишки жидкого полимера с поверхности. (Заметим, что амплитуда колебаний жидкости должна быть заранее выверена). Модель опускается вниз, в то время как сфокусированный лазерный луч остается на поверхности полимера. При отверждении происходит усадка полимера. Эта усадка может привести к изменению объема жидкости в ванне и должна все время проверяться. В случае отклонения уровень восстанавливается. Толщины слоев составляют от 50 до 500 мкм. Чем тоньше отвержденные слои, тем точнее, "глаже" поверхность модели, но с другой стороны процесс идет дольше. Параметры лазерного излучения стабилизированы, но дефлектора позволяют управлять движеним луча по X-Y поверхности жидкости.

Рассмотренные шаги повторяются, пока объект полностью не изготовлен. Некоторые конфигурации объектов могут иметь нависающие конструкции, которые должны быть поддержаны в течение процесса изготовления. Поддержки (т.е. внутренние или внешние "переборки") создаются на стадии компьютерной обработки 3-х мерного вида модели при помощи различных программ (напр. Solid Concepts, Los Angeles, California).

Поддержки позволяют:

- стабилизировать выступы, консоли на краях модели;

- предотвратить расслаивание в сложных участках модели;

- корректировать возможное искривление слоев на платформе;

- позволяет легко отделять синтезированную модель от основания-платформы;

- облегчает синтез сложных моделей, создавая их из нескольких частей

После того как процесс изготовления объекта закончен, готовая модель поднимается над уровнем жидкости, и ее излишки стекают. После выемки модели из ванны, она помещается в печь для дополнительного отверждения полимера. Лазерная мощность составляет 10-200 мВ (чем она больше, тем быстрее идет процесс полимеризации). Лазерная стереолитография позволяет получить очень сложные цельно выращенные модели. Практически же ограничения по форме связаны только с невозможностью вырастить детали с полностью изолированными внутренними полостями. Точнее, вырастить-то можно, но при этом в полости останется не удаленная жидкая смола, которая в дальнейшем полимеризуется.

Преимущества:

- установка полностью автоматизирована и работает без вмешательства оператора;

- высокая точность воспроизведения модели;

- острые края моделей заполняются полимером, что уменьшает склонность к расслоению;

- большая популярность этого процесса.

Недостатки:

- длительное время на пост-обработку (16 и более часов);

- усадка полимера при отверждении приводит к деформациям формы поверхности, а следовательно уменьшает точность воспроизведения;

- химическая токсичность полимера и чистящих ванну средств;

- ограниченное количество возможных для использования типов полимеров (высокая цена $100-200 за литр);

- необходима высокая техническая подготовка персонала и затраты на обслуживание оборудования;

- при синтезе необходимы "переборки";

- требуются работы по удалению этих переборок после синтеза.

Область применения:

- Отвержденный полимер слегка хрупок, поэтому в основном, можно использовать при концептуальном проектировании.

- Хорошо подходит для сборочного конструирования более сложных моделей, возможно нанесение слоя резины или металла (становится менее хрупок).

- Используется в технологии литья по выплавляемым формам в качестве мастер-форм, эталон-моделей, для изготовления опоки из которой в последующем выпаривается, а в пустоты заливается расплав металла.

- Фирма Дюпон (Dupont) создала материал для стереолитографии, который обладает более высокой прочностью и менее хрупок.

Стереолитография наиболее популярна среди процессов быстрого прототипиро­вания и изготовления, и ее интерфейс с твердотельной моделью стал стандартом для других процессов. Однако она требует создания поддерживающих структур, если деталь имеет вырезы внизу, то есть верхнее поперечное сечение детали име­ет большую площадь, чем нижнее.

Фирма 3D Systems (Валенсия, Калифорния, США) стала лидирующей в области стереолитографии (90% всего рынка). Ею разработано и выведено на мировой рынок несколько типов стереолитографических установок (SLA-190, SLA-250, SLA-350, SLA-400, SLA-500), различающиеся различными типами УФ-лазеров и размерами рабочих зон. Стоимость установки от 200 до 500 тыс. дол. США (1998 г.).

Эффективность работы технологических установок SLA-250, SLA-500 определяется следующими параметрами:

точность воспроизведения формы деталей (0,1-0,2 мм на длине 500 мм);

быстродействие фотополимеризации, которая определяет производительность СЛ-процесса (деталь средней сложности размерами до 250 мм изготавливается за 7 – 12 часов);

максимальными размерами изготавливаемых деталей (500х500х500 мм)

точность позиционирования (по координатам X, Y – 0,05 мм, по координате Z-0,025 мм), которая определяет точность обработки.

Технические характеристики оборудования, свойства материала и параметры процесса послойного синтеза существенно влияют на точность размеров и формы получаемого изделия по сравнению с его математической моделью. Практически достигается точность в пределах 0,1 – 0,2 мм, что в большинстве случаев вполне допустимо. Сравнительно невысокая точность объясняется влиянием большого числа технологических факторов, главными из которых являются: случайные погрешности развертки лазерного луча на плоскости X-Y, точность повторяемости проходов (слоев), точность перемещения луча, неоднородность материала, колебания мощности источника излучения, величина внутренних напряжений в изделии и усадка фотополимерной композиции (ФПК) при отверждении, характер полимеризации и другие особенности процесса.

Шероховатость поверхности изделий, получаемых методами БПИ, в основном зависит от толщины наращиваемых слоев и часто не отвечает традиционным требованиям к шероховатости поверхности деталей машиностроения, поэтому, как правило, полученное изделие необходимо подвергать финишной обработке (пескоструйной, шлифованию, полированию, шпаклевке, окраске и т.п.); при этом достигается качество поверхности, обеспечиваемое соответствующим видом обработки.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ

1. Исходные данные представлены в виде чертежа	2. Создание 3D математической модели детали
3. Подготовка управляющей программы для SLA (ориентация модели, задание машинных параметров, автоматическое создание элементов поддержки и расслаивание)	4. Изготовление модели детали на установке стереолитографии
4а. Построение детали лучом лазера на поверхности жидкого фотополимера	4b. Платформа с моделью погружается в полимер на толщину слоя
4с. Устройство Zephyr проходит над поверхностью модели и наносит слой жидкого фотополимера	4d. Лазер формирует следующий слой модели

Технология стереолитографии может использоваться практически в любой отрасли промышленности (автомобиле-, самолето- и машиностроении, легкой промышленности и др.), где производственный цикл включает проектирование, конструирование, корректировку проекта, создания демонстрационных моделей и прототипов, а также формообразующей оснастки (штампы, пресс-формы и др.) для изготовления единичных изделий или малыми и средними партиями.

При изготовлении элементов формообразующей оснастки, пресс-форм или электродов-инструментов готовая СЛ-модель используется в качестве мастер-модели или гальваноматрицы, с которой затем делается точная копия (металлическая, композитная или керамическая).

Дата добавления: 2015-08-05