Прототипування - "прискорювач" підготовки виробництва

Прототипування - "прискорювач" підготовки виробництва 

     ТЕХНОЛОГІЯ  ЛАЗЕРНОЇ СТЕРЕОЛІТОГРАФІЇ (SLA) 

     Стереолітографія - це технологія прискореного виробництва  прототипів (моделей) виробів (як правило, складної форми) шляхом пошарової полімеризації  рідкого фотополімеру з допомогою лазерного випромінювання. Вона є найбільш точним і забезпечує високу якість поверхонь способом швидкого моделювання.

     Технологія  лазерного стереолітографії SLA була запатентована Чарльзом Холом (США) в 1986р. Подібні технології розроблялися в різних країнах під різними назвами: Rapid Prototyping ("швидке прототипування" або "оперативне макетування"), Solid Freeform Fabrication (“вирощування”), Laminate Synthesis ("можливість пошарового синтезу"), 3D Component Forming та ін. Однак, незалежно від назви і використовуваного механізму реалізації, створені з їх допомогою вироби являють собою "покладені" один на інший і скріплені між собою шари постійної або змінної (в напрямку осі Z) товщини, що утворюють східчасту зовнішню поверхню.

     Ідеологія прискореного формоутворення виробу (моделі, прототипу) RP (Rapid Prototyping) базується на комп'ютерному автоматизованому 3D-CAD-проек-туванні виробу, візуалізації і оптимізації його конструкції виходячи з вимог дизайну та функціональних властивостей. Потім відбувається трансформація 3-координат-ної моделі в сукупність двомірних пошарових моделей і відтворення цієї сукупності, тобто матеріалізація як єдиного цілого, як фізичного твердотільного виробу або його прототипу (мал. 1,2).

     В даний  час розвиваються два напрямки стереолітографії, які відрізняються способом ініціювання полімеризації. Відмітною особливістю першого напрямку є використання сфокусованих пучків лазера, іншого - широкоапертурних пучків. В частности, существующая ныне в украине установка SLA 5000 использует 1-й метод.

     Стереолітографічні моделі дозволяють оперативно:

• оцінювати конструкцію і зовнішній вигляд розроблювальних виробів;
• перевіряти збирання і працездатність конструкцій;
• проводити аеродинамічні і гідравлічні випробування;
• отримувати металеві деталі і прес-форми литтям з випалюваних виробів (Quick Cast-технологія);
• виготовляти оснастку для дослідних зразків і малих серій виробів (з допомогою еластичних силіконових форм, форм з композитних матеріалів, а також із застосуванням гальванопластики).

     Для процесу характерні невисокі вимоги до потужності ініціюючого випромінювання, екологічна чистота, можливість протікання при температурі близькій до кімнатної. До недоліків можна віднести відносно високу вартість фотомономерів; чутливість установки до змін температури і вологості приміщення, а також до вібрації.

     Всі процеси стереолітографії починаються  з проектування зовнішніх і внутрішніх поверхонь виробу з точним зазначенням всіх геометричних елементів в одній з середовищ 3D-проектування: Auto Cad, 3D Компас, Pro-Engineer,  3D MAX та ін.

     Потім геометричне відтворення виробу здійснюється пошарово дисперсійним отвердненням рідкого фотомономера з допомогою  лазера (фотополімеризація, мал.3).

     Промінь лазера, керований комп'ютером, проходить  по поверхні рідкого полімеру, скануючи її у відповідності з конфігурацією формованого шару. Там, де промінь сканується на поверхні рідкого мономеру, останній полімеризується і твердне. Після цього платформа установки опускається на величину кроку, з якими проводилися січні площині теоретичної моделі. Промінь сканує конфігурацію другого перетину, потім третього і т.д. Так, послідовно пошаровим нарощуванням відбувається створення тривимірного твердотільного конструктивного елемента заданої геометрії. Товщина першого шару складає близько 0,05-0,2 мм.

     Після завершення формування останнього шару платформа піднімається над поверхнею  ванни з рідким фотополимером, вирощена деталь знімається, рідкий полімер  видаляється, і деталь сушитися в  ультрафіолетовій камері. 
 

     СПОСІБ ВИБОРЧОГО ЛАЗЕРНОГО СПІКАННЯ (SLS) 

      Переходити  від файлу CAD не тільки до прототипів, але і безпосередньо до довговічних і функціональних пластикових і металевих деталей або оснащення дозволяє селективне лазерне спікання порошкових матеріалів (SLS). При цьому отримання вироби відбувається за значно менший проміжок часу, ніж при традиційній механообрабці. Потрапляючи на тонкий шар порошку, лазерний промінь спекає його частинки і формує тверду масу згідно з геометрією деталі. В якості робочих матеріалів використовують поліамід (нейлон Dura Form (PA або GF), мал.4) зі скляним наповненням, гумоподібний еластомер SOMOS-201, сплави на основі нержавіючої сталі (мал.5).

     Еластомерний матеріал призначений для створення гнучких функціональ-них деталей або демонстраційних моделей, що дозволяє виконувати їх тестування перед виготовленням дорогого оснащення. Він також може бути використаний для виробництва невеликих партій прокладок, шлангів і інших водонепроникних деталей.

     З минулого матеріалу Laser Form ST-100 (нержавіюча сталь - 60%, бронза - 40%) можна виготовляти довговічні функціональні прототипи деталей, а також формотворні елементи оснащення для термопластавтоматів зі стійкістю не менше 100 000 циклів. Сплав Laser Form А-6 може піддаватися термообробці із забезпеченням твердості HRC 39. Він призначений для створення оснащення лиття під тиском або термоформовки зі стійкістю не менше 1 млн циклів.

     Спосіб SLS був запропонований Павлом Декартом (США) в 1986р. Схема типового комплексу, що реалізує цю технологію, зображена на мал.6. Керуючі дані для лазера вводяться виходячи з 3D- CAD геометрії виробу. Порошок пошарово за допомогою сглажуючих роликів наноситься на платформу носія. Промінь СО₂ лазера сканує поверхню згідно з конфігурацією першого розтину й ініціює локальне оплавлення порошкової маси, а платформа носія циклічно рухається вниз.

     До  переваг способу можна віднести невисоку вартість використовуваних матеріалів, їх нетоксичність, можливість виготовлення виробу по частинах,а також одночасного  виготовлення декількох виробів (у різних "горизонтах"), висока міцність готових виробів і можливість отримання їх ("пряме вирощування") з заданими функціональними властивостями.

     Області використання - авіаційна, автомобільна, електронна, електротехні-чна та інші галузі промисловості, нафтохімія, тобто будь-які галузі, де потрібне швидке прототипування, створення еталон-моделі, створення функціональних виробів складної форми одиничних або малими серіями.

     Одержання деталей або їх моделей методами стереолітографії або спікання забезпечує якість поверхні, що наближається до отриманої шляхом фрезерування та шліфування – до Ra0,64 і Rz 4,2. Шляхом облагороджування моделі покриттями їх зносостійкість вдається підвищити в 3-5 разів. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Мал.1 Структура процесу прискореного формоутворення (Rapid Prototyping) 
 
 
 
 
 

                  Мал.2  Основні переходи способу RP:

     а) -3D CAD-модель; б) сукупність 2D-CAD-моделей;

     в) пошарово побудована твердотільна деталь. 
 
 
 
 
 
 
 

     Мал.3 - Схема отримання тривимірної твердотільної деталі пошаровим нарощуванням за способом стереолітографії: 1 - лазер; 2 - виріб; 3 - рідкий мономер; 4 - ванна; 5 - рухома платформа; 6 - дзеркало, керуюче кануванням; 7 - вирівнюючий ніж. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Мал. 4 - Моделі отримані лазерним   Мал. 5 – Моделі отримані лазерним

спіканням нейлонових порошків.  спіканням сталевих порошків. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Мал.6 - Схема отримання тривимірного твердотільного вироби пошаровим нарощуванням за способом виборчого лазерного спікання SLS: 1 - лазер; 2 - оптична система; 3 - готовий виріб; 4 - рухома (на осі Z) робоча платформа; 5 - бункери для подачі порошкового матеріалу; 6 - порошковий матеріал; 7 - рухомий стіл бункера; 8 - ролик для подачі порошку і вирівнювання шару.