Аддитивные технологии в литейном производстве. Современные проблемы науки и образования. Фото изделий созданных

21.07.2021

Технология DLP (Digital Light Processing, цифровая обработка светом) встала на службу 3D-печати относительно недавно, а до этого она имела множество приложений в самых разных областей науки, техники и производства.

DLP была изобретена в 80-х годах в недрах фирмы Texas Instruments , одного из мировых лидеров в сфере микроэлектроники. Суть технологии в получении такого светового потока, который при проецировании на некую поверхность даёт нужное изображение известного разрешения, в том числе в цвете. Интуиция подсказывает, что для этого необходимо собрать некую систему из зеркал и источников света. Вот только как?

Описание технологии 3D-печати Digital Light Processing (DLP)

В основе DLP-системы лежит специальное устройство размером с обычный компьютерный процессор - DMD-чип (Digital Micromirror Device, устройство из цифровых микрозеркал) . Это не просто кремниевый чип, как может показаться, глядя на рекламные брошюры, а очень сложная структура, которая относится как так называемому классу микроэлектронно-механических систем (MEMS - Micro-Electronic Mechanical System) . Этот чип вы найдете во многих потребительских устройствах, основанных на технологии DLP , например в проекторах и телевизорах. Помимо этого, DLP успешно применяется в измерительных и сенсорных устройствах, системах «умного» освещения и даже для получения световых потоков с управляемой длиной волны. В качестве источника света могут выступать как световые лампы (накаливая, люминисцентные или светодиодные), так и лазеры. Длина волны простирается от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. На промышленном уровне DMD-чипы выпускаются с 1996 года.

Рассмотрим подробнее DMD-чип , который иногда также называют пространственным светомодулятором. Визуально он имеет плоское прямоугольное исполнение:

Поместив его под микроскоп, мы увидим матрицу из миллионов микрозеркал, каждое из которых имеет размеры порядка 10 микрон, что является десятой частью от толщины человеческого волоса.

Вот схематичное изображение DLP-ячейки Texas Instruments :

Каждое микрозеркало способно отражать как невидимый, так и видимый спектр света и отражает свет в одном из двух направлений. Направление определяется углом поворота зеркала. В чипах Texas Instruments этот угол принимает значения -12 либо +12 градусов. Само направление задается загрузкой бита «0» или «1» в ячейку памяти. Таким образом на каждую ячейку подается независимый поток битов с частотой в несколько килогерц, в результате чего мы имеем на одном из выходов полезное изображение, а на другом выходе обычно стоит светопоглотитель.

Линейка DMD-чипов обычно включает в себя стандартный ряд разрешений: WVGA (608×684), WXGA (912×1140), XGA (1024×768) и 1080p (1920×1080) . Для управление яркостью и цветом применяют различные вращающиеся светофильтры, частота вращения которых синхронизирована с битовым потоком, но непосредственно к 3D-печати это уже мало относится.

3D-печать на основе DLP относится к классу аддитивиных методов создания объектов и восходит корнями к технологии безмасочной литографии (Maskless Lithography) , с помощью которой выращивают печатные платы. Как известно, с каждым днем электронные устройства становятся более миниатюрными, и создавать под них печатные платы становится все сложнее, и тут безмасочная литография приходит на помощь. «Болванку» помещают в специальный раствор на глубину несколько микрон, после чего DLP-источник проецирует изображении в соответствии с нужной схемой дорожек и контактов. В тех точках, где раствор подвержен действию света, происходит формирование твердого слоя. Для сравнения, при технологии SLA (Stereolithography, стереолитография) лазер последовательно обходит заданное сечение, в то время как в DLP сечение образуется одновременно. Аналогичным образом выращивается трехмерный предмет в DLP-принтере , только в качестве раствора используется жидкий пластик, затвердевающий на свету.

Рассмотрен метод получения мастер-моделей (RP-прототипов) послойным синтезом для литья по выжи-гаемым моделям методом стериолитографии по технологии цифровой обработки светом (Digital Light Processing). Определена возможность получения моделей с внутренней регулируемой ячеистой структу-рой в виде типовой элементарной ячейки Вигнера–Зейтца. В качестве исходного материала использован сшитый фоточувствительный полимер Envisiontec SI500. В данной работе спроектирована компьютерная 3D модель в STL формате и получен опытный образец, представляющий собой оболочку, заполненную регулируемой ячеистой структурой. Определены оптимальные режимы засветки и толщина засве-чиваемого слоя образца, с помощью которых можно регулировать размеры перемычек ячеистой структуры. Наличие в модели структуры в виде массива ячеек в дальнейшем позволит в разы сократить объем используемого материала и снизить давление на керамическую оболочку при его удалении.

цифровая обработка светом

синтез-модели

ячеистая структура

фотополимер

мастер-модель

1. Васильев В.А., Морозов В.В. Изготовление стальных отливок по фотополимерным моде-лям путем выжигания их в литейной форме / Межд. НТК «Современные проблемы метал-лургического производства». Сб. труд. – Волгоград. 2002. – С. 336–337.

2. Васильев В.А., Морозов В.В., Шиганов И.Н. Использование методов послойного форми-рования трехмерных объектов в литейном производстве// Вестник машиностроения. 2001. - № 2. - С. 4–11.

3. Евсеев А.В. Оперативное формирование трехмерных объектов методом лазерной стерео-литографии [Текст]/ А.В. Евсеев, В.С. Камаев, Е.В. Коцюба и др. // сб. трудов ИПЛИТ РАН. – С. 26–39.

4. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении [Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов по направлению подготовки магистров «Технологические машины и обо-рудование» / М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. [СПб., 2013] URL:http://dl.unilib.neva.ru/dl/2/3548.pdf

5. Зленко М. Технологии быстрого прототипирования – послойный синтез физической копии на основе 3D-CAD-модели // CAD/CAM/CAE Observer. 2003. № 2 (11). С. 2–9.

6. Скородумов С.В. Технологии послойного синтеза при создании объемных моделей для заготовительного производства. // Вестник машиностроения. – 1998. – № 1. – С. 20–25.

7. S.O. Onuh., Y.Y. Yusuf. Rapid prototyping technology: applications and benefits for rapid prod-uct development. // Journal of Intelligent Manufacturing. 1999. V. 10. PP. 301 – 311.

Современные системы трехмерного компьютерного проектирования позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку и конструирование новых деталей . Переход на цифровое описание изделий - CAD и появившиеся вследствие его RP-технологии (RP-технологии быстрого прототипирования) произвели настоящую революцию в литейном производстве, особенно это проявилось в высокотехнологичных отраслях промышленности - авиационной и аэрокосмической области, атомной индустрии, медицине и приборостроении .Уход от традиционных технологий, применение новых методов получения литейных синтез-моделей за счет технологий послойного синтеза фотополимерного материала дали возможность радикально сократить время на создание новой продукции, улучшить качество, точность литых деталей и уменьшить отбраковку .

Наиболее широко RP-прототипы используются в качестве литьевых выплавляемых моделей в литейном производстве для получения высокоточных и геометрически сложных металлических отливок . Использование RP-моделей в качестве выжигаемых моделей в технологических процессах литья позволяет получать геометрически сложные металлические отливки с точностью не менее 12 квалитета и шероховатостями поверхностей в среднем 7Ra. Однако применение синтез-моделей (RP-прототипов) зачастую сопровождается растрескиванием и последующим разрушением литейной формы на стадии высокотемпературного удаления модельной массы.

Основная причина разрушения керамических форм в процессе удаления литьевой модели связана с различием термомеханических свойств керамической оболочки и материала прототипа . Один из способов снижения контактных напряжений между литьевой моделью и керамической формой в процессе теплового воздействия заключается в замене монолитной модели на модель эквивалентной формы, представляющей собой оболочку с ячеистым заполнителем внутренней полости в качестве несущего каркаса, препятствующего потере устойчивости оболочки от воздействия остаточных напряжений. Проектирование таких синтез-моделей включает выбор формы и геометрических параметров ячейки, обеспечивающих, с одной стороны, минимальный уровень контактных напряжений, а с другой — сохранение заданных параметров точности полимерной модели на всем протяжении процесса изготовления и формования.

Целью данной работы является исследование возможности получения RP-прототипов с внутренней регулируемой структурой в виде ячеек типа Вигнера-Зейтца.

Материалы и методы исследования

В качестве исходного материала использован сшитый полимер Envisiontec SI500, который применяется в процессе стереолитографии. Для получения опытных образцов с регулируемой внутренней структурой в данной работе использован технологический процесс стериолитографии, схема которого представлена на рисунке 1. Основным отличием от классической стериолитографии являются уход от использования схемы с лазером для инициирования реакции фотополимеризации и замена его на несколько цифровых видеопроекторов, использующих технологию Digital Light Processing (DLP). Разработчиком данной технологии является компания Enviziontec (Германия). В качестве исходного материала для создания модели используется акриловый фотополимер. Суть процесса заключается в использовании «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера с помощью прожектора (содержащего две лампы с высокой яркостью света). Платформа после засветки слоя опускается ровно на толщину следующего слоя в ванну с жидким полимером. Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходят относительно быстро. Этим объясняется высокая скорость построения моделей (в среднем 1 см в час по высоте при шаге построения 50 мкм).

Рис. 1. Схема работы стереолитографической машины с применением технологии DLP: 1 - проектор; 2 — фотомаска; 3 - механизм выравнивания полимера; 4 - ванна с жидким полимером; 5 - опускаемое основание; 6 - модель из отвержденного полимера

При использовании шага в 25 мкм на моделях практически отсутствуют характерные для всех технологий послойного синтеза ступеньки от слоев. Такая возможность позволяет получать изделия с высоким качеством поверхности с шероховатостью до Ra0,1 и точностью размеров до 0,1 мм.

Результаты исследования и их обсуждение

Для получения опытных образцов с внутренней регулируемой структурой использовалась установка Envisiontec Perfactory XEDE. Были проведены работы по моделированию образца, представляющего собой оболочку с толщиной стенки 0,5 мм, заполненную ячеистой регулируемой структурой (рис. 3). Для заполнения внутреннего объема образца использовалась элементарная единичная ячейка Вигнера-Зейтца, представляющая собой в STL-файле массив. Эксперименты проводились при различных параметрах времени засветки образца каждого последующего полимеризующегося слоя от 6,5 до 18 с.

Рис. 3. CAD-модель оболочки куба, заполненная ячеистой структурой

В результате проведенной работы был получен опытный образец с толщиной стенки оболочки 0,5 мм, заполненной ячеистой структурой из фотополимерного материала SI500 (рис. 4). Время засветки каждого слоя 18 с (как оболочки, так и ячеистой структуры с толщиной перемычки 0,5 мм).

Рис. 4. Опытный образец с организованной ячеистой структурой

Варьируя параметрами засветки слоя полимеризующегося материала, возможно получение ячеек с толщиной перемычки в диапазоне размеров от 0,12 до 0,5 мм.

Заключение

Установлена технологическая возможность развития технологии получения сложных геометрических объектов с внутренней регулируемой ячеистой структурой. Потенциальное применение данной технологии возможно в литейном производстве, а именно в литье по выжигаемым моделям. С помощью замены монолитной мастер-модели на модель, представляющую оболочку с внутренней регулируемой структурой в виде ячеек, можно уменьшить давление выжигаемого модельного состава на керамическую форму путем подбора толщины оболочки, формы и размеров ячеек.

Рецензенты:

Сиротенко Л.Д., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь;

Ханов А.М., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь.

Библиографическая ссылка

Шумков А.А. СОЗДАНИЕ МАСТЕР-МОДЕЛЕЙ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗЕМ ФОТОПОЛИМЕРА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20538 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

На сегодняшний день существует множество технологий для создания реальных объектов из 3D моделей. Наиболее распространенная и доступная технолология — это печать пластиком(технология FDM).
В нашей статье мы приводим классификацию технологи печати и расскажем и каждой из них.

В настоящее время технологии 3D печати разделяются на 4 основных категории:

1. Экструдирование — выдавливание расплавленного материала;
2. Фотополимеризация — отверждение полимера УФ или лазерным излучением.
3. Печать методом спекания и плавления материалов
4. Ламинирование — склеивание слоев материала с последующим вырезанием;

Помимо этого, существуют другие технологии, не попавшие в вышеуказанные категории, мы рассказывем о них в конце этой статьи.

1. Экструзия материала

1.1. Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling, FDM)

Наиболее распространенная технология 3D печати , особенно среди персональных и настольных 3D принтеров.

Технология работает по принципу наплавления материала слоями. Пластиковые или металлические нити разматываются из рулона(картриджа) и поступают в печатающую головку(экструдер). Экструдер разогревает нити до жидкого состояния и выдавливает материал через сопло, перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, слой за слоем формируя объект.

Преимущества технологии 3D-печати по технологии FDM

. скорость и простота изготовления моделей
. доступность;
. безопасность , экологическая чистота и нетоксичность большинства материалов;
. точность построения;
. простота использования и обслуживания;
. прочность деталей;
. простота утилизации.

Материал для печати : Термопластики (PLA , ABS , PVA , HIPS и т. п.), легкоплавкие металлы и сплавы , съедобные материалы (шоколад и др.)

1.2. Моделирование методом напыления с последующим фрезерованием слоя(Drop On Demand Jet, DODJet)

В этой технологии 3D-печати также используется два вида материалов — модельный и материал поддержки.

Печатающая головка одновременно распыляет оба типа « расходников». Затем специальная фрезеровочная головка производит охлаждение распыленного слоя и его механическую обработку. Технология DODJet позволяет строить высокоточные модели с абсолютно гладкой поверхность. Так как распыление рабочего слоя происходит за счет механически движущийся головки , то скорость изготовления прототипа во многом зависит от сложности печатной модели.

Материал для печати : Литейный воск

2. Фотополимеризация

2.1. Лазерная стереолитография( Laser Stereolithography, SLA)

Технологию изобрел Чарльз Халл. Получив патент на нее , Халл основал компанию 3D Systems , которая и сегодня остается ведущей компанией-производителем SLA-машин.

Технология предполагает использование специального фотополимера — светочувствительной смолы в качестве модельного материала. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Фотополимер затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый слой смолы наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели. Стереолитография — наиболее популярная технология быстрого прототипирования для получения высокоточных моделей. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,025 — 0,15 мм.

SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также используется для выращивания ювелирных мастер-моделей .

Материал для печати : Фотополимерная смола

2.2. Цифровая обработка светом (Digital Light Processing, DLP)

Аналог SLA технологии. В отличии от традиционной технологии стереолитография , использующей сканирующий ультрафиолетовый лазер для того , чтобы сделать жидкий материал твердым , DLP принтер работает по схожему принципу , однако использует DLP-прожектор , который воздействует на каждый слой. Как только первый слой застывает на платформе , платформа опускается немного глубже в резервуар со смолой , а прожектор засвечивает новое изображение , чтобы затвердел следующий слой.

Материал для печати : Жидкая смола

2.3. Технология MJM(Multi-Jet-Modeling)

Технология разработана и запатентована компанией 3D Systems.

В основе MJM - технологии 3D-печати, лежит послойное сечение СAD файла на горизонтальные слои, которые последовательно отправляются на 3D-принтер. Каждый слой формируется печатающей головкой, которая через группы сопел выпускает на горизонтальную движущуюся платформу или расплавленный(температура около 80 C) фотополимер или расплавленный воск. Фотополимер или воск расплавляются в системе подачи материала до того как попадают в печатающую головку. Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то после печати каждого слоя, платформа, на которой выращен слой, отъезжает за печатающую головку под ультрафиолетовую лампу. Вспышка ультрафиолетовой лампы вызывает реакцию фотополимера, вследствие которой материал твердеет. После этого платформа отъезжает опять под печатающую головку и цикл формирования слоя повторяется. Печатающая головка образует новый слой. Особенностями технологии MJM является возможность воспроизводить 3D-модели с высокой точностью. В процессе 3D-печати используется материал поддержки: воск(поставляется отдельными картриджами). Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то материал поддержки удаляется посредством высокой температуры: деталь с поддержкой помещается в печь с температурой ~60 C. Если 3D-печать выполняется из воска, то поддержка удаляется с помощью специального раствора.

Немаловажно и то, что в клей можно добавлять красящие вещества, а, следовательно, есть возможность получить не только объемную модель, но и разноцветную.

Материал для печати : Фотополимерная смола, акриловый пластик, литейный воск

2.4. Полиструйная технология(PolyJet, PJET)

Представлена в 2000 году компанией Objet , которая затем в 2012 году было приобретена компанией Stratasys.

Трехмерная печать PolyJet похожа на струйную печать документов, но вместо струйной подачи чернил на бумагу 3D-принтеры PolyJet выпускают струи жидкого фотополимера, который образует слои на модельном лотке и мгновенно фиксируется ультрафиолетовым излучением. Тонкие слои ложатся последовательно и образуют точную трехмерную модель или прототип. Модели готовы к использованию сразу по извлечении из 3D-принтера, не требуется никакая дополнительная фиксация. Помимо выбранного модельного материала, 3D-принтер также выпускает струи гелеобразного вспомогательного материала, предназначенного для поддержки выступов и сложных геометрических форм. Его легко удалить вручную или с помощью воды.

Технология трехмерной печати PolyJet обладает множеством преимуществ для быстрого прототипирования, быстро и точно образуя потрясающе тонкие детали и гладкие поверхности. Технология использует широкий ряд материалов, в том числе жесткие непрозрачные материалы сотен ярких цветов, прозрачные и цветные полупрозрачные тона, гибкие эластичные материалы и специализированные фотополимеры для 3D-печати в стоматологической и медицинской отраслях, а также в производстве товаров широкого потребления.

Материал для печати : Фотополимерная смола

3. Печать методом спекания и плавления материала

3.1. Селективное лазерное спекание(Selective Laser Sintering, SLS)

Метод SLS был изобретен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г.

По данной технологии модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В отличие от SLA-процесса , в данном случае лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессах SLA и MJM при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе порошка. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается.

Ведущими производителями SLS-машин являются компании Concept Laser (Германия), 3D Systems(США) и EOS GmbH(Германия).

Материал для печати : Термопластик , металлический порошок , керамический порошок , стеклянный порошок

3.2. Прямое металлическое лазерное плавление (Direct Metal Selective Laser Melting, SLM)

Разновидность технологии SLS. Материалом выступают металлы и сплавы в виде порошка. Для печати доступны следующие металлы и сплавы: сталь , нержавеющая сталь , инструментальная сталь , алюминий , сплав кобальт-хром , титан.

Тонкие слои качественного порошка металла равномерно распределяются с использованием специального покрывающего механизма, платформа на которой расположен порошок при этом может опускаться по вертикали. Весь процесс происходит внутри камеры, которая поддерживает жесткий контроль атмосферных инертных газов таких, как аргон, азот, кислород на уровне ниже 500 частей на миллион. Затем каждый слой формируется путем избирательного воздействия лазеров на поверхность порошка с помощью двух высокочастотных сканеров X и Y осей. Процесс повторяется слой за слоем, пока деталь не будет завершена.

Материал для печати : Практически любой металлический сплав в виде гранулы/крошки/порошка

3.3. Э лектронно-лучевая плавка(Electron Beam Melting, EBM)

Эта технология была разработана компанией Arcam AB в Швеции.

Технология представляет собой изготовление деталей путем плавления мощным электронным пучком металлического порошка, наносимого слой за слоем, в вакууме. В отличие от некоторых методов спекания металла, части получаются без пустот, очень прочными.

Технология позволяет изготавливать детали любой геометрической формы с параметрами используемого материала. Машина EBM считывает данные из модели 3D, расположенной, как правило, в CAD файле, и последовательно формирует ее слой за слоем. Эти слои сплавляются вместе с использованием электронного пучка, управляемого компьютером. Таким образом он строит целые части. Процесс происходит в вакууме, что делает его подходящим для изготовления деталей из материалов, сильно подверженных влиянию кислорода, например, титана.

Важным преимуществом является то, что порошок представляет собой чистый конечный материал без каких бы то ни было наполнителей. Так что Вам не нужно подвергать напечатанную деталь дополнительной термической обработке.

EBM работает при температуре, находящейся обычно между 700 и 1000° С. Детали получаются готовыми практически сразу же после остывания.

Титановые сплавы, как уже отмечалось выше, без труда обрабатываются этой технологией, что делает ее подходящим выбором для рынка медицинских имплантатов.

Материал для печати : Сплавы титана

3.4. Выборочное тепловое спекание(Selective Heat Sintering)

Аналог селективного лазерного спекания (SLS), однако в данной технологии вместо высокоточного лазера используется направленное должным образом тепло. Специальная лампа закрывается маской , и таким образом появляется возможность выборочно воздействовать на исходный материал.

Для того, чтобы иметь возможность тепловым потоком, в данной технологии применяют специальные ультрафиолетовые лампы. Одним из основных преимуществ является то, что для данной длины волны ИК-излучения возможно подобрать 2 вида материала: один будет пропускать тепло, а другой будет отражать. Также одним из основных свойств ИК излучения является возможность подобрать такую длину волны, при которой конкретный материал будет поглощать или отражать все излучение.

Интересно отметить, что один слой толщиной 100 микрон(0,1мм) печатается всего за 1-2 секунды. Данная технология — это настоящий прорыв в скоростной печати. Важно подчеркнуть, что модель формируется из порошка, причем весь не использованный порошок можно использовать повторно.

Данная технология позволяет изготавливать модели самых сложных геометрических форм, а также позволяет печатать несколько деталей одновременно.

Материал для печати : Термопластичный порошок

3.5. Послойное распределение клеящего вещества по гипсовому порошку(Powder bed and inkjet head 3d printing, Plaster-based 3D printing, 3DP)

3DP - это специфическая аддитивная технология производства , основанная на использовании порошка и связующего материала. Данная технология запатентована в 1993 году Эли Sachs и Майком Cima из Массачусетского технологического института (MIT) и продана в 1995 году компании Z Corporation , которая , в свою очередь , была приобретена компанией 3D Systems в январе 2012 года.

3DP использует порошковый метод производства аналогичный SLS, но вместо спекания или плавления порошка используется связующее вещество(клей), которое вводится в порошок. Для этих целей используется печатающая головка аналогичная головке струйного 3D принтера.

Технология очень проста: есть слой порошка, по нему сверху проходит печатающая головка и избирательно(по форме сечения) наносит специальную связующую жидкость. Свежий слой порошка распространяется по всей поверхности модели, и процесс повторяется. Когда модель завершена, несвязанный порошок автоматически удаляется.

Материал для печати : Гипс, композит на основе гипса, гипсовый порошок

4. Изготовление объектов с использованием ламинирования(Laminated Object Manufacturing, LOM)

В этой технологии модель изготавливается из тонких слоев полимерной пленки. Предварительно каждый слой будущего изделия вырезается из рабочего материала лазером или механическим резаком. Готовые формы слоев размещаются в установленном порядке и склеиваются. Послойное соединение может происходить разными способами — при помощи местного нагрева , спрессовкой под давлением или обычным химическим склеиванием.

Материал для печати : Бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка

3D- печать от Mcor Technologies

Недавно появившаяся технология , которая позволяет печатать изделия из обычной бумаги формата А4. Резец из твердосплавной стали вырезает каждый слой будущей модели из листа бумаги. Затем слои проклеиваются обычным канцелярским клеем на водной основе. Такую технологию печати использует инновационный 3D-принтер MATRIX 3000.

Материал для печати : стандартная офисная бумага

Контурное изготовление(Contour Crafting, CC)

Изобрел технологию профессор Бехрох Хошневис (Behrokh Khoshnevis) из университета Южной Калифорнии СС - это строительная технология и её используют не 3D-принтеры. Устройство для печати более похоже на козловой кран. Вместо многотонного крюка , у которого находится распыляющая бетонную смесь головка со встроенными пневматическими формирователями поверхностей. Мгновенно застывающий бетонный раствор слой за слоем наносится на основу дома. Стены , вместе с проемами , вентиляционными отверстиями , дымоходами в прямом смысле этого слова растут на глазах. На возведение полой « коробки» одного коттеджа площадью 100 метров квадратных уходит примерно восемь часов непрерывной работы.

Материал для печати : бетонная смесь

Многие ювелиры успешно применяют в своей работе программно-управляемые фрезерные станки, которые вытачивают восковки для литья, а некоторые аппараты - и сразу металлические детали. В этой статье мы рассмотрим 3D-печать как альтернативу и дополнение к этому процессу.

Скорость

При создании детали в единичном экземпляре, ЧПУ-фрезер выигрывает в скорости - фреза станка движется со скоростью до 2000-5000 мм/мин и там, где фрезер управится за 15 минут, принтер может печатать деталь до полутора часов, иногда даже больше.

Это справедливо, правда, лишь для простых и гладких изделий, типа обручального кольца простой формы и без рисунка, которые не требуют высокого качества поверхности, т.к. их легко быстро заполировать. Сложные изделия фрезер вытачивает так же неспешно, как их печатает 3D-принтер, а зачастую и дольше - время обработки может доходить до шести часов.

Фото @FormlabsJp

При создании сразу серии изделий ситуация кардинально меняется - за один проход принтер способен распечатать полную платформу восковок - это площадка (на примере принтера Form 2) 145х145 мм, и их там помещается, в зависимости от размера моделей, до 35 штук. При скорости печати 10-30 мм/час (а печатает он слоями, сразу по всей площади платформы), это дает заметное преимущество перед фрезером, который единовременно вырезает лишь одну модель - это либо одна сложная деталь, либо несколько простых, плоских, из одной цилиндрической восковой заготовки.

Кроме того, 3D-принтер может печатать сразу елку моделей для отливки, без необходимости собирать ее из отдельных заготовок. Это тоже экономит время.

Фото @3d_cast

Точность и качество

Точность позиционирования фрезы в ЧПУ-аппаратах достигает 0,001 мм, что выше чем у 3D-принтера. Качество обработки поверхности фрезером зависит еще и от размера самой фрезы, а радиус вершины фрезы - не менее 0,05 мм, но движение фрезы задается программно, обычно это шаг в треть или половину фрезы, соответственно - все переходы сглаживаются.

Фото @freemanwax

Толщина слоя при печати на Form 2, самом популярном но далеко не самом точном принтере, а значит и вертикальная точность, составляет 0,025 мм, что в два раза меньше диаметра острия любой фрезы. Диаметр его луча составляет 0,14 мм, что уменьшает разрешение, но позволяет также получать более гладкую поверхность.

Фото @landofnaud

В целом, качество получаемых изделий на фотополимерном принтере и топовых фрезерных станках сопоставимое. В некоторых случаях, на простых формах, качество фрезерованной детали будет выше. Со сложностью форм история другая - 3D-принтер способен напечатать такое, что ни один фрезер никогда не вырежет, в силу конструктивных ограничений.

Экономичность

Фотополимеры, которыми печатают стереолитографические принтеры, стоят дороже обычного ювелирного воска. Крупные куски воска после фрезера можно переплавить в новые заготовки, хотя это тоже время и лишние действия, но и экономия. Фрезерованный воск выходит дешевле, в пересчете на стоимость каждого единичного изделия аналогичного объема.

Воск - не единственный расходный материал в работе фрезера, фрезы тоже постепенно стачиваются и требуют замены, их хватает на 1-2 месяца интенсивной работы, но это не сильно сокращает разрыв.

Работа фрезера, в пересчете на себестоимость изготовленных изделий, обходится дешевле.

Фото @3DHub.gr

Удобство и возможности

Специфика фрезеровки такова, что даже на пятиосевом станке фреза способна достать далеко не везде. Это вынуждает ювелиров создавать составные модели из нескольких частей, которые затем надо спаивать, а то и предварительно дорабатывать вручную. 3D-принтер же способен распечатать модель сколь угодно сложной формы, включая внутренние полости и сложные сочленения, за один проход.

Как это происходит

Распечатанные модели припаиваются к восковому стволу, затем получившаяся конструкция заливается гипсом или специальным раствором, после отвердения которого готовая форма разогревается в печи, а потом заливается металлом.

Материал восковок без остатка выгорает, позволяя металлу занять все освободившееся место и в точности повторить форму заготовки.

Детальнее:

1. Процесс литья начинается с печати модели и стандартной пост-печатной обработки - распечатанная деталь отделяется от поддержек, промывается, подвергается закрепляющей экспозиции в ультрафиолете, при необходимости - слегка полируется.

2. Далее процесс аналогичен тому, что применяется при литье с применением обычных восковок. Заготовки припаиваются к восковому литнику, который удержит их в правильном положении и создаст канал для распределения металла.

Если количество и размер изделий позволяют, можно пропустить этот этап - если распечатать изделия вместе с литником как единое целое.

3. Литник закрепляется в литьевой колбе. Если колба перфорирована, отверстия стоит закрыть, например - упаковочным скотчем.

4. Заполняющий раствор смешивается в пропорциях указанных производителем.

Потом его заливают в колбу с находящимся внутри литником. Наливают аккуратно, чтоб не повредить модели и не сместить елку.

5. Колба помещается в вакуумную камеру не менее, чем на 90 секунд, чтоб из раствора вышел весь воздух. Потом ее переносят в защищенное от вибрации место, для скорейшего застывания.

6. Литьевые емкости ставят в печь, холодную или разогретую до 167ºC, и постепенно поднимают температуру, до полного выгорания пластика моделей.

Preheat - предварительный нагрев.

Insert flask - поместить колбу в печь.

Ramp - поднять (изменить) температуру.

Hold - держать температуру (пример: 3h = 3 часа)

7. По завершении этого процесса в форму заливают металл.

8. После заливки форму охлаждают, заполняющий материал вымывается.

9. Остается лишь извлечь готовые изделия, разделить их и слегка отполировать.

Фото изделий созданных Top3DShop :

Выводы:

Обе технологии имеют свои плюсы и минусы. Если в ювелирной мастерской уже есть фрезерный ЧПУ-станок, то с большинством задач по изготовлению единичных экземпляров он справится. Более того - если изготавливаются только единичные экземпляры и не очень часто, то станок тут и в скорости выигрывает.

Если не стоит задачи развивать производство, увеличивать объем работ, оборот средств, поднимать уровень сложности изделий, то 3D-принтер будет лишь дополнительной финансовой нагрузкой.

При увеличении темпа и объемов работ, при постоянном введении новых моделей, преимущества 3D-принтера станут заметны сразу, в серийном производстве разница в скорости серьезная. Принтер сложно переоценить в быстром прототипировании и изготовлении партий заготовок.

Если же предприятие выполняет оба типа заказов - как единичные, так и серийные, - эффективнее и экономически целесообразнее будет иметь в хозяйстве оба аппарата, для разных типов работ, они органично дополнят друг друга.

Оборудование

Formlabs Form 2

Технология: SLA

Рабочая камера: 145 x 145 x 175 мм

Толщина слоя: 25-100 мкм

Фокус лазера: 140 мкм

Мощность луча: 250 мВт

Цена: 320 000 руб

Form 2 - компактный стереолитографический 3D-принтер, легко помещающийся на рабочем столе.

Благодаря своей точности (25-100 микрон) пользуется большой популярностью у ортодонтов и ювелиров, так как способен печатать множество изделий за один сеанс.

Фото @FormlabsJp

Фотополимер для печати выжигаемых моделей стоит 46 000 рублей за картридж объемом 1 литр.

3D Systems Projet MJP 2500

Технология: MJM

Рабочая камера: 295 x 211 x 142 мм

Разрешение: 800 x 900 x 790 точек на дюйм

Толщина слоя: 32 мкм

Цена: 3 030 000 рублей

Многоструйный принтер компании 3D Systems, предназначенный для печати литьевых заготовок материалами VisiJet и функциональных деталей - пластиками.

MJP уступает стереолитографическим принтерам в компактности - он значительно крупнее и не может быть размещен на рабочем столе, но это компенсируется скоростью печати и большей рабочей областью.

3D Systems ProJet MJP 3600W Max

Технология: MJM

Рабочая камера: 298 х 183 х 203 мм

Разрешение: до 750 x 750 x 1600 DPI

Толщина слоя от: от 16 мкм

Точность печати: 10-50 мкм

Цена: 7 109 000 рублей

ProJet 3600W Max - усовершенствованный вариант модели ProJet 3500 CPX, специализированного 3D-принтера для печати литьевых восковок. Это промышленные 3D-принтеры, используемые на производствах в режиме беспрерывной работы, с большой платформой и высокой производительностью. В принтерах данной серии использована технология многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM), которая увеличивает скорость работы и позволяет использовать специально предназначенные для нее материалы VisiJet.

Технология: DLP (digital light processing)

Область печати: 120×67.5×150 мм

Толщина слоя: 25-50 мкм (0.025/0.05 мм)

Разрешение: 62,5 мкм (0.0625 мм)

Цена: от 275 000 руб

Hunter - новый DLP 3D-принтер компании Flashforge. DLP - стереолитографическая технология использующая вместо лазера проектор.

Эта технология имеет свои плюсы - DLP-печать быстрее и способна дать большую детализацию на сверхмалых масштабах. С другой стороны - DLP-проекция состоит из пикселей, если необходима идеально гладкая поверхность - лучше выбрать SLA-принтер, например - Form 2.

Flashforge Hunter DLP 3D совместим с третьим поколением стереолитографических смол, что дает пользователю широкий выбор материалов для печати.

В принтере использован DLP-модуль собственной разработки производителя, характеристики которого оптимизированы именно для 3D-печати. Этот компонент обладает большей линейной точностью, чем обычные DLP, предназначенные для бытовых видеопроекторов.

Wanhao Duplicator 7 v1.4

Технология печати: DLP, 405нм

Максимальная скорость печати: 30 мм/час

Максимальная область печати: 120х68х200 мм

Разрешение: 2560х1440 точек на слой

Точность: 0.04 мм

Толщина слоя: 0.035-0.5mm

Вес: 12 кг

Цена: 35 900 рублей.

Wanhao Duplicator 7 - недорогой фотополимерный принтер для того, чтоб попробовать стереолитографию. Недостатки этой модели - низкая стабильность работы, невысокое разрешение и проблемы с повторяемостью “из коробки”.

Фото @

Скорость

Фото @FormlabsJp

При создании сразу серии изделий ситуация кардинально меняется - за один проход принтер способен распечатать полную платформу восковок - это площадка (на примере принтера ) 145х145 мм, и их там помещается, в зависимости от размера моделей, до 35 штук. При скорости печати 10-30 мм/час (а печатает он слоями, сразу по всей площади платформы), это дает заметное преимущество перед фрезером, который единовременно вырезает лишь одну модель - это либо одна сложная деталь, либо несколько простых, плоских, из одной цилиндрической восковой заготовки.

Фото @3d_cast

Точность и качество

Фото @freemanwax

Фото @landofnaud

Экономичность

Работа фрезера, в пересчете на себестоимость изготовленных изделий, обходится дешевле.

Фото @3DHub.gr

Удобство и возможности

Как это происходит

Детальнее:

4. Заполняющий раствор смешивается в пропорциях указанных производителем.

Preheat - предварительный нагрев.

Insert flask - поместить колбу в печь.

Ramp - поднять (изменить) температуру.

Hold - держать температуру (пример: 3h = 3 часа)

7. По завершении этого процесса в форму заливают металл.

8. После заливки форму охлаждают, заполняющий материал вымывается.

9. Остается лишь извлечь готовые изделия, разделить их и слегка отполировать.

Фото изделий созданных :

Выводы:

Оборудование

Formlabs

Технология: SLA

Рабочая камера: 145 x 145 x 175 мм

Толщина слоя: 25-100 мкм

Фокус лазера: 140 мкм

Мощность луча: 250 мВт

Цена: руб

Form 2 - компактный стереолитографический 3D-принтер, легко помещающийся на рабочем столе.

Фото @FormlabsJp

Фотополимер для печати выжигаемых моделей стоит рублей за картридж объемом 1 литр.

3D Systems

Технология: MJM

Рабочая камера: 295 x 211 x 142 мм

Разрешение: 800 x 900 x 790 точек на дюйм

Толщина слоя: 32 мкм

Цена: рублей

3D Systems

Технология: MJM

Рабочая камера: 298 х 183 х 203 мм

Разрешение: до 750 x 750 x 1600 DPI

Толщина слоя от: от 16 мкм

Точность печати: 10-50 мкм

Цена: рублей

Используемый в нем новый воск отличается высокой прочностью, модели из него не ломаются в руках при отделении от платформы или случайном падении, что случалось с моделями распечатанными из его предшественника - Hi Cast.

Стоит материал рублей за 1,7кг

275 000 руб