Технологии послойного синтеза: принципы SLA-технологии. Послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. Принципы SLS-технологии. Сплавление лазером сыпучих, порошкообразных полимерных материалов. Принципы POLYJET технологий. Технология струйной печати. Тенденции в области полимерных материалов композиций для аддитивных технологий

Лекция 6 ТЕХНОЛОГИИ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА: ПРИНЦИПЫ SLA-ТЕХНОЛОГИИ (СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ). ПОСЛОЙНОГО ОТВЕРЖДЕНИЕ ЖИДКОГО ФОТОПОЛИМЕРА ЛАЗЕРОМ. ПРИНЦИПЫ SLS-ТЕХНОЛОГИИ. СПЛАВЛЕНИЕ ЛАЗЕРОМ СЫПУЧИХ, ПОРОШКООБРАЗНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ПРИНЦИПЫ POLYJET-ТЕХНОЛОГИЙ. ТЕХНОЛОГИЯ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ. ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Послойный (Layer-by-Layer) синтез наноматериалов - синтез, основанный на последовательных и многократных реакциях адсорбции из газовой фазы или растворов на поверхности подложки-матрицы молекул или ионов, а также адагуляции из растворов коллоидных частиц. Данные реакции характеризуются так называемым “насыщением”, т.е. образованием в результате адсорбции одного монослоя (или при сверхэквивалентной адсорбции полислоя) структурных единиц адсорбирующегося вещества. В процессе синтеза последовательности обработок выбирают такими, чтобы образовавшийся слой являлся новой подложкой при адсорбции следующего реагента и в результате достигаются условия циклического роста толщины слоя, причём толщина суммарного слоя контролируется числом последовательных циклов наслаивания. Среди методов послойного синтеза с учетом природы реагентов, которые участвуют в реакциях образования слоев при их взаимодействии с подложкой, можно выделить методы молекулярного (МН), ионного (ИН), ионно-молекулярного (ИМН), ионно-коллоидного (ИКН), молекулярно-коллоидного (МКН) и коллоидного (КН) наслаиваний. Методы молекулярного, ионного и ионно-молекулярного наслаивания могут быть отнесены к атомно-слоевому осаждению (АСО). Лазерная стереолитография, одна из фундаментальных технологий 3D-печати. В международной терминологии этот процесс называется SLA (Stereolithography Apparatus). Также существует его альтернативная разновидность – DLP (Digital Light Processing). Стереолитографический аппарат был запатентован в 1986 году Чаком Халлом, соучредителем компании 3D Systems, и как раз с этого момента принято отсчитывать историю аддитивных технологий. Халл, является изобретателем первой коммерческой технологии быстрого прототипирования, а также формата файлов STL, в котором стандартно сохраняются данные трехмерных моделей. От других технологий трехмерной печати лазерную стереолитографию отличает использование не порошков, а фотополимеров в жидком состоянии, которые накладываются тонкими слоями. Материал затвердевает под лазерным лучом или ультрафиолетовой лампой, после чего мы получаем готовую 3D-модель. Технология заключается в построении твердого тела в жидкой среде. Фотополимеры (светополимеры) представляют собой вещества, которые изменяют свои свойства под действием ультрафиолетового света. В обычном состоянии они характеризуются податливостью, но под действием ультрафиолетовых лучей приобретают прочность. Длительность облучения и длина волны устанавливаются в зависимости от материала, размеров выращиваемого изделия и окружающих условий. Технология лазерной стереолитографии основана на фотоинициированной лазерным излучением или излучением ртутных ламп полимеризации фотополимеризующейся композиции (ФПК). Данный метод отличается от других тем, что в нем используют в качестве «строительного материала» не порошки, а фотополимеры в жидком состоянии. В ёмкость с жидким фотополимером помещается сетчатая платформа (элеватор), на которой осуществляется "выращивание" прототипа. С помощью этой технологии спроектированный на компьютере трёхмерный объект синтезируется из жидкой ФПК последовательными тонкими (0,05—0,2 мм) слоями, формируемыми под действием лазерного излучения на подвижной платформе. Как правило, процессор формирования горизонтальных сечений предварительно преобразовывает описание 3D-модели будущего объекта из формата STL-файла в совокупность послойных сечений с требуемым шагом по высоте, массив которых записывается в исполнительный файл с расширением SLI. Данный файл представляет собой набор двумерных векторных данных, обеспечивающих последовательное управление ориентацией луча лазера посредством зеркал в процессе синтеза объекта, команды на включение лазера, перемещение платформы и т.д. Далее включается лазер, воздействующий на те участки полимера, которые соответствуют стенкам целевого объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается чуть глубже, на величину, равную толщине слоя. Также в этот момент специальная щетка орошает участки, которые могли остаться сухими вследствие некоторого поверхностного натяжения жидкости. По завершению построения объект погружают в ванну со специальными составами для удаления излишков и очистки. И, наконец, финальное облучение мощным ультрафиолетовым светом для окончательного отвердевания. Как и многие другие методы 3D-прототипирования, SLA требует возведения поддерживающих структур, которые вручную удаляются по завершении строительства. Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели детали. • Из-за выборочного отвердевания на компоненты и технологию процесса накладываются жесткие двусторонние ограничения. Например, чем гуще смола изначально, тем легче её перевести в полимерное состояние, но и тем хуже её гидромеханические качества. Для чрезмерно жидкого полимера требуется больше времени на успокоение его поверхности после перемещения платформы. • Чем мощнее введенный в смолу фотоинициатор, тем меньшее времени нужно слабому лазеру для засветки, но и тем меньшее время жизни у всего объёма смолы, так как он подвержен фоновой засветке. Основным отличием производителей лазерных стереолитографов являются указанные выше характеристики, так как в целом, устройство и принцип действия таких машин идентичны. В любой SLA-машине возможно применение любого расходного материала после соответствующей настройки. Одно из преимуществ 3D-печати методом SLA — скорость, составляющая в среднем 4-7 мм/час по высоте модели (зависит от загрузки рабочей платформы и шага построения). Область применения: • Создание конструкторских и дизайнерских прототипов, макетов различных изделий и сборок. • Изготовление формообразующей оснастки при различных видах точного литья. Создание моделей для изготовления формообразующей оснастки из других материалов. • Создание мастер-модели при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки. • Восстановление объектов по данным рентгеновской, акустической или ЯМР-томографии в медицине, криминалистике, археологии и др. • Изготовление микрооптики из прозрачных пластических материалов, в том числе для видеокамер нано-БПЛА. Лазерная стереолитография может использоваться при создании оснастки, приспособлений или прототипов, а также при производстве промышленной керамики, формовании и литье по выжигаемым моделям. Технология с успехом работает на предприятиях различных отраслей, таких как: • автомобильная промышленность; • авиакосмическая промышленность; • приборостроение; • медицина (в том числе стоматология); • ювелирное дело; • искусство и архитектура. Преимущества лазерной стереолитографии Технология SLA помогает оперативно получить прототип с оригинала изделия или с компьютерно-математической модели. Специальная оснастка и промежуточные этапы обработки не требуются, поэтому на создание готового изделия уходит всего несколько часов. Стереолитографическая 3D-печать экономит время на тестирование экспериментальных образцов, что делает этот метод незаменимым также при проведении научных исследований. Среди других преимуществ лазерной стереолитографии: • возможность построения моделей сложной формы и структуры (в том числе тонокостенных изделий и мельчайших деталей); • высокая точность и прочность объекта; • поверхность изделия имеет идеальное качество; • напечатанный прототип можно использовать как готовый продукт за счет свойств применяемых фотополимеров; • несложная постобработка; • низкий уровень шума при производстве. Возможность использовать больший объем рабочей камеры позволяет печатать более габаритные объекты. Как работает SLA-технология Схема стереолитографического 3D-принтера 1. Жидкий фотополимер заливается в емкость, в которую ставят подвижную платформу для выращивания изделия. 2. Платформа помещается на такую глубину, чтобы ее покрывал супертонкий слой фотополимера – толщиной от 0,05 до 0,13 мм. Это самое минимальное значение, доступное современным 3D-принтерам, – таким образом, лазерная стереолитография обеспечивает более высокую точность в сравнении с другими технологиями 3D-печати. 3. Затем в компьютерной программе активируется лазер. Лазерный луч прорисовывает первый слой на поверхности фотополимера, вызывая его затвердевание. 4. Для создания нового слоя платформа погружается на глубину, соответствующую толщине одного слоя. Выполняется необходимое количество таких циклов. 5. Когда объект построен, он подвергается обработке специальным раствором и финальной полимеризации мощным УФ-излучением. 6. В завершение процесса вручную удаляют поддержки, которые используются во многих аддитивных процессах. Метод DLP (Digital Light Processing) использует цифровые светодиодные проекторы, которые позволяют снизить себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP-принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели. Главное преимущество DLP перед SLA – более низкая стоимость используемых проекторов по сравнению с лазерными излучателями. Селективное лазерное спекание (SLS) — это метод аддитивного производства, который заключается в спекании мелкодисперсного порошкового (обычно, металлического) материала с помощью лазера. Процесс нацеливания лазера осуществляется автоматически по заранее созданной 3D-модели, которая может быть создана в графическом редакторе. Технология Для создания изделия путем селективного лазерного спекания на поверхность подложки наносится слой порошка, поступающий из емкости подачи, и равномерно распределяется с помощью устройства выравнивания. Включается лазер, луч которого, направляемый подвижными зеркалами и фокусирующей линзой, по сгенерированным 3D-моделям сканирует поверхность нанесенного слоя порошка и формирует первичный слой изготавливаемого объекта методом спекания. Таким образом, оказываются спеченными те области, которые соответствуют текущему срезу изделия. После завершения сканирования подвижное дно рабочей камеры опускается на толщину наносимого слоя порошка, тем самым переходя к следующему срезу изделия. При необходимости, на поверхность сканирования добавляется порошок, так как в процессе работы он расходуется. Дойдя до верхней точки модели, процесс останавливается, платформа с готовым изделием поднимается для очистки от неиспользованного порошка. Применение. В качестве порошка для изготовления изделий селективным лазерным спеканием могут использоваться как однокомпонентные материалы, так и порошковые смеси. По сравнению с другими методами аддитивного производства, селективным лазерным спеканием можно изготавливать детали из относительно широкого диапазона коммерчески доступных порошкообразных материалов. К ним относятся полимеры, такие как нейлон (чистый, стеклонаполненного, или с другими наполнителями) или полистирол, керамика, стекло, металлы, включая сталь, титан, смеси сплавов, композиционных материалов. Селективное лазерное спекание используется по всему миру, так как позволяет легко и быстро производить изделия сложной формы на основе цифровых данных. Первоначально данным способом создавались прототипы и модели на раннем этапе конструирования, однако сейчас метод широко используется в производстве окончательных продуктов. Сфера применения 3D-печати методом селективного лазерного спекания обширна: детали силовых установок, авиастроение, машиностроение, космонавтика. В последнее время технология используется для создания предметов искусства и дизайна. 3D печать по POLYJET технологии обычно заказывают для получения очень точных и максимально детализированных прототипов. Эта технология представляет собой многоструйное моделирование с использованием воскового либо фотополимерного материала и реализуется на трехмерных принтерах линейки Objet от Stratyasys. К преимуществам такого способа печати относят высокую точность и скорость создания трехмерного физического объекта. 3D печать из фотополимера по принципу схожа со струйной. Печать обеспечивает блок с набором из печатающих головок. На каждой головке имеется большое количество мелких сопел, которые расположены ровными рядами. Каждое сопло обеспечивает подачу мельчайшей капли фотополимера для строительства прототипа. Печатающий блок подвижный: он перемещается в горизонтальной плоскости вдоль рабочей площадки, нанося послойно жидкий полимер. За ним следует ультрафиолетовая лампа, засвечивающая свежие частицы материала. Это обеспечивает его быстрое затвердение, после которого платформа с растущим изделием опускается ниже для нанесения следующего слоя. Чтобы струйная 3D печать имела возможность строить навесные детали, часть сопел печатающей головки наносит поддержку в процессе построения объекта. В финале поддержку удаляют различными методами. К преимуществам технологии polyjet печати относят: • Высокое качество готовых изделий. Принцип, базирующийся на послойном нанесении крохотных капель материала, позволяет реализовать точность, недоступную для других технологий трехмерной печати. • Высокая скорость печати. • Ассортимент материалов. Современная фотополимерная 3D печать позволяет создавать прототипы, а также мастер-модели, пробные образцы с разнообразными свойствами. Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI века. Они в определяющей степени создают условия перехода промышленности к производственным технологиям нового поколения, которые принципиально меняют весь технологический уклад и влекут за собой изменение всего производственного цикла. Степень их использования в промышленном производстве является верным индикатором индустриальной мощи и инновационного развития государства.