Технология DLP (Digital Light Processing). Digital Light Processing (DLP) или цифровая обработка светом АТ и литейное производство

Коллеги, сегодня поговорим о наболевшем!

А именно то, как некоторые продавцы 3D-принтеров, пытаются вам продать свой продукт всеми правдами и неправдами....

Вначале поговорим о двух самых распространенных технологиях 3D-печати: DLP и SLA, именно такие 3D принтеры в стоматологии встречаются чаще всего.

На стоматологическом рынке сегодня наибольшей популярностью пользуются принтеры работающие по технологиям печати DLP и SLA, чем отличаются между собой эти две технологии?

Обе (DLP и SLA) в качестве сырья для печати используют «жидкую пластмассу», другими словами фотополимер, который полимеризуется и приобретает твердую форму под действием УФ излучения.

Немного истории:

Пионерами, в развитии стоматологической 3D-печати и создании биосовместимых полимеров в большом ассортименте, является голландская компания Nextdent, ранее известная всем как компания Vertex.

Этой зимой, видя большой потенциал этих биосовместимых материалов, компанию Nextdent купил отец 3D-печати, 3D-гигант - американская компания 3D Systems.

Получить сертификацию для биосовместимых материалов не так уж и просто, поэтому фотополимеры компании Nextdent приобретают другие компании и продают под своими разными брендами: Formlabs, Novux и другие.

Теперь опять вернемся к технологиям 3D-печати.

DLP. Принцип печати:

Программа которая идет в комплекте с принтером разбивает печатаемый объект на слои с заданной толщиной.

В ванночку принтера с прозрачным дном наливают фотополимер (материал для печати).

На самое дно ванны погружается рабочий столик, отступая от дна на один (первый) слой нашего объекта (в этом «отступе» находится жидкий фотополимер).

Проектор, расположенный под ванной проецирует на дно ванны картинку первого слоя и благодаря УФ излучению застывает только та пластмасса, на которую попало изображение с проектора.

Так слой за слоем вырастает наш печатаемый объект, будь то модель челюсти или временная коронка.SLA. Принцип печати: Принцип печати похож, но с отличием в том, что проецируется не слой целиком, а по каждой точке объекта быстро проходит лазерный луч, который полимеризует жидкий фотополимер (материал)

Зачастую покупателю самостоятельно не просто разобраться во всех свойствах 3D-принтера и его материалов, но есть один понятный показатель, на который ориентируются почти все. И естественно, на этом показателе в основном играют продавцы 3D-принтеров.

Уже догадались какой основной аргумент они приводят, продавая вам свой принтер?

Точность печати!

Давайте тогда разберемся с этим популярным параметром, который перекручивают в ту или иную сторону умышленно или из-за некомпетентности.

Точность печати .

Этот параметр зависит от многих факторов, мало того, не только от принтера, но и от материала и окружающей среды.

Как зависит от материала?

Чем более опаковый материал (наполненный пигментами и блокираторами света), тем более точными будут напечатанные из него изделия. Это происходит благодаря отсутствию рассеивания света при печати и полимеризации примыкающего к модели материала.

Как зависит от окружающей среды?

При печати фотополимером, важно контролировать его температуру во время печати.

Во время полимеризации именно в DLP принтерах выделяется много тепла.

Как негативно влияет повышенная температура на печать?

Очень просто, ускоряется химическая реакция и для полимеризации материала текущего света становится слишком много.

Повышается риск полимеризации пограничного слоя модели (засвет лишней пластмассы) соответственно увеличение ее размеров, другими словами потеря точности.

В SLA принтерах это не так страшно, так как лазер имеет меньшую мощность (выделяет меньше тепла) обьем ванны для материала обычно значительно больше (чем в DLP принтерах) что приводит к тому, что фотополимер в ванне нагревается медленнее и нет рисков перегрева.

Именно поэтому печать SLA немного дольше, но зато она лишена рисков перегрева и потери точности, как в DLP принтерах.

Значит, чтобы получить максимально точно напечатанное изделие, а в помещении у вас жарко - контролируйте температуру используемого полимера.

Холодно - тоже не лучший вариант, так как материалу может не хватить силы света, он не закрепиться на столике для печати и вам придется подогреть материал и начать весь процесс печати с начала.

Конечно возня с подогревом материала не очень удобна!

Но если ваш принтер имеет функцию автоматического подогрева материала - вам с этим не придется возится вручную.

В статье дан анализ применяемых в заготовительном, в частности литейном производстве компьютерных технологий, позволяющих резко сократить сроки запуска новой продукции. Особое значение эти технологии имеют при изготовлении литейных моделей, форм и оснастки.

При разработке и создании новой промышленной продукции особое значение имеет скорость прохождения этапов НИОКР, которая, в свою очередь, существенно зависит от технологических возможностей опытного производства.

В частности, это касается изготовления литейных деталей, которые часто являются самой трудоемкой и дорогостоящей частью общего проекта. При создании новой продукции, особенно на этапе ОКР в опытном производстве, для которого характерны вариантные исследования, необходимость частых изменений конструкции и, как следствие, постоянной коррекции технологической оснастки для изготовления опытных образцов, проблема быстрого изготовления литейных деталей становится ключевой.

В опытном производстве преимущественными остаются традиционные методы изготовления литейной оснастки вручную или с использованием механообработки. Это связано с тем, что на этапе ОКР, когда конструкция изделия еще не отработана, для изготовления образцов нецелесообразно создавать оснастку под серийное производство. В этих условиях литейная оснастка – весьма дорогостоящая продукция, оказывается, по сути, разовой, которая в дальнейшей работенад изделием не используется в связи с изменениями конструкции изделия в ходе ОКР. Поэтому каждое приближение конструкции детали к окончательной версии требует зачастую и новой оснастки, в связи с чем традиционные методы оказываются не только дороги, но и затратны по времени.

Переход на цифровое описание изделий – CAD, и появившиеся затем аддитивные технологии произвели настоящую революцию в литейном производстве, что особенно проявилось в высокотехнологичных отраслях – авиационной, аэрокосмической, атомной, медицине и приборостроении – тех отраслях, где характерно малосерийное, зачастую, штучное производство. Именно здесь уход от традиционных технологий, применение новых методов получения литейных синтез-форм и синтез-моделей технологиями послойного синтеза радикально сократило время создания новой продукции. Для изготовления первого опытного образца блока цилиндров

(рис. 1) традиционными методами требуется ≥ 6 мес., причем, основное время уходит на создание оснастки.

Использование для этой цели технологии Quick-Cast (выращивание литейной модели из фотополимера на SLA-машине с последующим литьем по газифицируемой модели) сокращает срок получения первой отливки с полугода до двух недель!

Рис.1 Quickcast модель (а) и отливка блок цилиндров (б)

Эта же деталь может быть получена менее точной, но вполне пригодной технологией – литьем в выращенные песчаные формы, когда в изготовлении литейной модели вообще нет необходимости: выращивается «негатив» детали – форма. Форма для литья такой крупной детали, как блок цилиндров, выращивается фрагментами, затем собирается в опоке и производится заливка. Весь процесс занимает несколько дней. Значительная часть «обычных» литейных изделий, к которым не предъявляют специальные требования к точности или внутренней структуре, может быть получена в виде готовой продукции в течение нескольких дней:

прямое выращивание восковой модели;
формовка + сушка формы;
прокалка формы;
и, собственно, получение отливки.

Итого: 3…4 дня (каждый этап – по одному дню), с учетом подготовительно-заключительного времени. Практически все автомобильные и авиастроительные компании промышленно развитых стран имеют в арсенале своего опытного производства десятки AF-машин, обслуживающих НИОКР. Более того, эти машины начинают использовать, как «обычное» технологическое

оборудование в единой технологической цепи и для серийного производства.

Аддитивные технологии (АТ) и быстрое прототипирование Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM) – принятые в англоязычной технической лексике термины, обозначающие аддитивный, то есть «добавлением», метод получения изделия, в противоположность традиционным методам механообработки путем «вычитания» (subtractive) материала из массива заготовки. Они употребляются, наряду со словосочетанием Rapid Prototyping (или RP-технологии) – быстрое прототипирование, но имеют более общее значение, точнее отражающее современное положение. Можно сказать, что RP-технология, в современном понимании, это часть AF-технологий, «отвечающей» за собственно прототипирование методами послойного синтеза. AF- или AM-технологии охватывают все области синтезирования изделий, будь то прототип, опытный образец или серийное изделие.

Суть AF-технологий, как и RP-технологий, в послойном построении изделий – моделей, форм, мастер-моделей и т.д. путем фиксации слоев модельного материала и их последовательного соединения между собой разными способами: спеканием, сплавлением, склеиванием, полимеризацией – в зависимости от нюансов конкретной технологии.

Идеология аддитивных процессов базируется на технологиях, в основе которых – цифровое описание изделия, его компьютерная модель или т. н. CAD-модель. При использовании AF-технологий все стадии реализации проекта – от идеи до материализации (в любом виде – промежуточном или в виде готовой продукции) находятся в «дружественной» технологической среде, в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD\CAM\CAE-системе. Практически это означает реальный переход к «безбумажным» технологиям, когда для изготовления детали традиционной бумажной чертежной документации, в принципе, не требуется.

Хотя на рынке существуют различные AF-системы для производства моделей по разным технологиям и из разных материалов, общее для них – послойный принцип построения модели. Особую роль АТ играют в модернизации литейного производства, позволяя решать ранее не решаемые задачи, «выращивать» литейные модели и формы, которые невозможно изготовить традиционными способами. Радикально сократились сроки изготовления модельной оснастки. Развитие вакуум-пленочных технологий по формам и моделям, полученным АТ, дало возможность снизить в разы и десятки раз сроки изготовления опытных образцов, а, в ряде случаев, и серийной продукции. Последние достижения в области порошковой металлургии позволили существенно расширить возможности АТ по непосредственному «выращиванию» функциональных деталей из металлов и получению новых конструкционных материалов с уникальными свойствами (технологии spray forming и др.).

Современные Центры АТ часто в своем полном названии содержат слова конструкторско-технологический, тем самым подчеркивается единство, а не борьба противоречий, между конструктором и технологом. Учитывая специфику российской промышленности, где часто в рамках одного предприятия сосредоточено производство изделий огромной номенклатуры из разных материалов, где многие предприятия вынуждены содержать свое «натуральное хозяйство», это – рациональный подход. Опытные литейные производства в технологиях получения и металлических, и пластмассовых изделий имеют много общего, а с применением АТ еще сближаются по применяемому оборудованию, и по технологическим приемам, и по обучению и подготовке профессиональных кадров.

АТ и литейное производство

Как уже отмечалось, особое значение АТ имеют для ускоренного производства литейных деталей, в частности, для получения:

литейных моделей;
мастер-моделей;
литейных форм и литейной оснастки.

Изготовление литейных синтез-моделей

Литейные модели могут быть получены (выращены) из следующих материалов:

порошкового полистирола (для последующего ЛГМ);
фотополимерных композиций, в частности, по технологии Quick-cast для последующего ЛГМ или по технологии MJ (Multi Jet) для литья по выплавляемым моделям.

Рис. 2. SLS-машина SinterStation Pro и модель колеса турбины

Синтез-модели из порошкового полистирола. Полистирол широко используют в качестве модельного материала для традиционного ЛГМ. Однако, в связи с бурным развитием технологий послойного синтеза, он приобрел особую популярность и для прототипирования, а также для промышленного изготовления штучной и малосерийной продукции. Полистирольные модели изготовляют на AF-машинах, работающих по технологии SLS – Selective Laser Sintering – послойное спекание порошковых материалов (рис.2). Эту технологию часто применяют, когда необходимо быстро сделать одну или несколько отливок сложной формы относительно больших размеров с умеренными требованиями по точности.

Модельный материал – полистирольный порошок с размером частиц 50…150 мкм накатывается специальным роликом на рабочую платформу, установленную в герметичной камере с атмосферой инертного газа (азота). Лазерный луч «пробегает» там, где компьютер «видит» в данном сечении CAD-модели «тело», как бы заштриховывая сечение детали, как это делает конструктор карандашом на чертеже. Под воздействием тепла лазерного луча частички полистирола спекаются (~ 120°C). Затем платформа опускается на 0,1…0,2 мм, и новая порция порошка накатывается на отвержденный слой, формируется новый, который также спекается с предыдущим.

Процесс повторяется до полного построения модели, которая в конце процесса оказывается заключенной в массив неспеченного порошка. Модель извлекают из машины и очищают от порошка. Преимущество технологии – в отсутствии поддержек, поскольку модель и все ее строящиеся слои все время удерживаются массивом порошка.

Имеющиеся на рынке машины фирм 3D Systems и EOS позволяют строить достаточно крупные модели – до 550×550×750 мм (что важно, так как можно строить крупные модели зацело, без склейки отдельных фрагментов, что повышает точность и плотность отливки). Весьма высокая детализация построения моделей: могут быть построены поверхностные элементы (номера деталей, условные надписи и пр.) с толщиной фрагментов до 0,6 мм, гарантированная толщина стенки модели до 1,5 мм.

Рис. 3. Полистирольная модель после выращивания (а) и инфильтрации (б) и чугунная отливка (в)

Рис. 4. Полистирольные модели (а) и отливки из
Al-сплава (б)

Принципиально технологии литья по восковым и полистирольным моделям не различаются (рисунки 3 и 4). Используются те же формовочные материалы, то же литейное и вспомогательное оборудование. Разве что восковая модель – «выплавляемая», а полистирольная – «выжигаемая».

Но работа с полистирольными моделями требует внимания при выжигании: выделяется много газов, которые требуют нейтрализации, материал частично выгорает в самой форме, есть опасность образования золы и засорения формы, нужно предусмотреть возможность стекания материала из застойных зон, должны использоваться прокалочные печи с программаторами, причем, программы выжигания полистирола и вытапливания воска существенно различны. Но в целом, при определенном на выке и опыте, ЛГМ дает очень хороший результат.

Недостатки технологии

Процесс спекания порошка – это тепловой процесс со всеми присущими ему недостатками: неравномерностью распределения тепла по рабочей камере, по массиву материала, короблением вследствие температурных деформаций.

Порошок полистирола не сплавляется, как например, порошки полиамида или металла, а спекается – пористая структура модели похожа на структуру пенопласта. Это делается специально для облегчения в дальнейшем удаления материала модели из формы с минимальными внутренними напряжениями при нагревании.

Построенная модель, в отличие от, например, восковой, требует аккуратного обращения и при очистке, и при дальнейшей подготовке к формованию.

Для придания прочности и удобства работы с ней (сочленения с литниковой системой, формовки) модель при ~ 80°C пропитывают специальным восковым составом – процесс называется инфильтрацией. (на рис. 3 показаны инфильтрированные модели красного цвета, из машины же извлекаются полистирольные модели белого цвета). Это также несет в себе опасность деформирования модели и требует определенных навыков персонала.

В последнее время появились полистирольные порошки, не требующие инфильтрации. Это ослабляет, но не устраняет проблему. Кроме того, инфильтрат в виде воска не всегда вредная необходимость. Он расплавляется в опоке при выжигании раньше полистирола, и когда последний приобретает текучесть, способствует его выносу из формы, уменьшая тем самым массу «выжигаемой» части полистирола и снижая вероятность образования золы.

Рис. 5. SLS-модель распределительного вала и формовочный ящик для получения песчаной формы

Таким образом, когда мы говорим об умеренных требованиях к точности при использовании SLS-технологии, то имеем в виду отмеченные причины, по которым точность изделий, полученных SLS-технологий, не может быть выше, чем при использовании других технологий, не связанных с температурными деформациями, как, например, технологии фотополимеризации (рис. 5).

Говоря об SLS-технологии, отметим еще одно, не связанное с полистиролом, но «родственное» направление, иногда используемое в литейном производстве. Это выращивание оснастки из порошкового полиамида. Полиамид широко используют для функционального прототипирования, прочные полиамидные модели во многих случаях позволяют воспроизвести прототип, максимально близко к готовому изделию.

В ряде случаев целесообразно применять полиамидные модели в качестве альтернативы деревянным. Модель выращивают, так же как и полистирольную. При этом, по возможности делают ее полой с минимально возможной толщиной стенок. Затем модель, для придания ей прочности и жесткости, заполняют эпоксидной смолой, после чего закрепляют в опоке, красят и далее используют традиционную технологию формовки. Пример такой «быстрой» технологической оснастки для формовки распределительного вала ДВС показан на рис. 5. Ввиду большой длины модель выращена из двух частей, части склеены, заполнены эпоксидной смолой и закреплены в опоке; продолжительность операций – два дня.

Синтез-модели из фотополимеров. Суть технологии – в использовании специальных светочувствительных смол, которые отверждаются избирательно и послойно в точках или местах, куда по заданной программе подводится луч света. Способы засветки слоя различны (лазер, ультрафиолетовая лампа, видимый свет). Существуют две основные технологии создания моделей из фотополимерных композиций: лазерная стереолитография или SLA-технология (Steriolithography Laser Apparatus), или стереолитография – отверждение слоя лазером, и «моментальная» засветка слоя – отверждение слоя фотополимера вспышкой ультрафиолетовой лампы или прожектора.

Первый способ предполагает последовательное «пробегание» лазерного луча по всей поверхности формируемого слоя там, где в сечении «тело» модели. По 2-му способу отверждение всего слоя происходит сразу же после или в процессе его формирования за счет излучения от управляемого источника света – видимого или ультрафиолетового.

Различие в способах формирования слоев обусловливает и различие в скоростях построения модели. Очевидно, что скорость выращивания 2-м способом выше. Однако стереолитография была и остается самой точной технологией и применяется там, где требования к чистоте поверхности и точности построения модели – основные и определяющие.

Тем не менее, технологии «засветки» с заданной экспозицией, используемые, например, фирмами Objet Geometry и Envisiontec, во многих случаях успешно конкурируют со стереолитографией, оставляя за собой явное преимущество в скорости построения и стоимости моделей. Ряд производственных задач могут быть одинаково успешно решены с помощью AF-машин разного уровня.

Таким образом, оптимальный выбор технологии получения моделей и, следовательно, прототипирующего оборудования зачастую не является очевидным и должен проводиться с учетом конкретных производственных условий и реальных требований к моделям. В тех случаях, когда очевидно разнообразие решаемых задач, целесообразно иметь две машины: для изготовления изделий с повышенными требованиями и для выполнения «рутинных» задач и тиражирования моделей.

Лазерная стереолитография. Фирма 3D Systems – пионер в области практического освоения технологий быстрого прототипирования. В 1986 г. ею впервые была представлена для коммерческого освоения стереолитографическая машина SLA-250 с размерами зоны построения 250×250×250 мм. Основа в SLA-процессе – ультрафиолетовый лазер (твердотельный или CO2), где лазерный луч – источник не тепла, как в SLS-технологии, а света. Луч «штрихует» текущее сечение CAD-модели и отверждает тонкий слой жидкого полимера. Затем платформу, на которой производится построение, погружают в ванну с фотополимером на величину шага построения, где наносится новый жидкий слой на затвердевший слой: новый контур «обрабатывается» лазером.

При выращивании модели, имеющей нависающие элементы, одновременно с основным телом модели (и из того же материала) строятся поддержки в виде тонких столбиков, на которые укладывается первый слой нависающего элемента, когда приходит черед его построения. Процесс повторяется до завершения построения модели.

Рис. 6. SLA-модель (а) и отливка шарик, серебро (б)

Затем модель извлекают, остатки смолы смывают ацетоном или спиртом, поддержки удаляют. Качество поверхности стереолитографических моделей весьма высокое, и часто модель не требует пост-обработки. При необходимости, чистоту поверхности можно улучшить, поскольку «зафиксированный» фотополимер хорошо обрабатывается, и поверхность модели может быть доведена до зеркальной. В некоторых случаях, если угол между строящейся поверхностью модели и вертикалью < 30 град., модель можно построить и без поддержек. И таким образом может быть построена модель, для которой не возникает проблемы удаления поддержек из внутренних полостей, что, в свою очередь, позволяет получать модели, которые в принципе нельзя изготовить никаким из традиционных методов (например, ювелирное изделие на рис. 6). Стереолитография широко применяется для: выращивания литейных моделей; изготовления мастер-моделей (для последующего получения силиконовых форм, восковых моделей и отливок из полиуретановых смол); создания дизайн-моделей, макетов и функциональных прототипов; изготовления полноразмерных и масштабных моделей для гидродинамических, аэродинамических, прочностных и других видов исследований. Но мы отметим лишь два направления.

Рис. 7. Quick-cast-модель (а), она же с литниковой системой (б) и отливка Al-головки цилиндров (в)

Для целей литейного производства применяют т. н. Quick-Cast-модели (рис. 7), то есть модели для «быстрого литья». Так называют модели, по которым, по аналогии с восковыми моделями, можно быстро получить металлические отливки. Но модели Quick-Cast имеют сотовую структуру массива стенок:

внешние и внутренние поверхности стенок выполняют сплошными, а саму стенку формируют в виде набора сот, что имеет большие преимущества: существенно, на 70% снижается общая масса модели, а, следовательно, меньше материала нужно будет выжигать;
в процессе выжигания любой модельный материал расширяется и давит на стенки формы, при этом, форма с тонкостенными элементами может быть разрушена;
сотовая же структура позволяет модели при расширении «складываться» внутрь, не напрягая и не деформируя стенки формы.

В отдельных случаях SLA-модели, так же, как и SLS-модели, могут быть использованы не как литейные модели, а в качестве оснастки для получения модели при литье в песчаную форму(ПФ) – рис. 8. В этом случае, в конструкции модели должны быть предусмотрены литейные уклоны.

Рис. 8. CAD-модель (а), SLS-модель (б) и отливка передняя крышка ДВО, полученная в ПФ (в)

Однако этот способ используют редко из-за недостаточной прочности SLA-модели. Второе, не по значимости, а в порядке упоминания, преимущество – это точность построения модели, в обычных условиях, при комнатной температуре, когда отсутствуют термонапряжение и деформации. Очень малое пятно лазерного луча∅ 0,1…0,05 мм позволяет четко «прорабатывать» тонкие, филигранные фрагменты модели, что сделало стереолитографию популярной в ювелирной промышленности. В России имеется достаточно большой опыт применения технологии Quck-Cast в авиационной промышленности (предприятия «Салют»,«Сухой», УМПО, «Рыбинские моторы»), в энергетическом машиностроении («ТМЗ» – Тушинский машиностроительный завод) – рис.9, некоторый опыт имеется и в автомобильных НИИ. Так, в НАМИ по этой технологии впервые в России были получены такие сложные отливки, как головка и блок цилиндров. Однако в других отраслях эта технология остается практически неосвоенной.

Рис. 9. SLA-модель (а) и отливка рабочее колесо турбоагрегата (б), оболочковая форма и отливка рабочее колесо турбины ОАО «ТМЗ» (в)

Основной производитель SLA-машин – американская компания 3D Systems, которая выпускает широкую гамму машин с разными размерами зоны построения, от 250×250×250 до 1500×570×500 мм. Для литейного производства в мировой промышленности достаточно активно используют машины серии iPro (рис. 10), с техническими характеристиками которых можно ознакомиться на сайте кампании www.3dsystems. com. Затраты, как первоначальные, так и при использовании, – пожалуй, единственный недостаток этой технологии. Наличие лазера делает эти установки относительно дорогими и требующими регулярного технического обслуживания.

Рис. 10. Машина iPro 8000 (а) и SLA-модели (б)

Поэтому в последнее время, когда появилось множество 3D-принтеров, их используют для построения особо ответственных изделий с повышенными требованиями к точности и чистоте поверхности, в первую очередь, для изготовления Quick-Cast- и мастер-моделей. Для других же целей, например, дизайн-макетов применяют более дешевые технологии. Стоимость расходных материалов умеренная – € 200…300, и сопоставима с ценой модельных материалов других фирм. Время построения модели зависит от загрузки рабочей платформы, а также от шага построения, но, в среднем, это 4…7 мм/ч по высоте модели. Машина может строить модели с толщиной стенки 0,05…0,2 мм. Технология DLP Разработчик этой технологии – международная компания Envisiontec, которую можно отнести к новичкам AF-рынка, свои первые машины она выпустила в 2003 г.

Рис. 11. Модели Envisiontec (а) и отливки Al-деталей ДВС (б)

В машинах Envisiontec (рис. 11) семейства Perfactory применяют оригинальную технологию DLP – Digital Light Procession, суть которой – в формировании т.н. маски каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера, с помощью прожектора с высокой яркостью света. Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходит относительно быстро, за 3…5 с.

Таким образом, если в SLA-машинах применяют точечный принцип засветки, то в машинах Envisiontec – поверхностный, то есть засветку всей поверхности слоя, чем объясняется высокая скорость построения моделей – в среднем, 25 мм/ч по высоте, при толщине слоя построения 0,05 мм. Материал поддержек – тот же, что и основной материал – акриловый фотополимер. Модели Envisiontec используют так же, как и SLA-модели – в качестве мастер-моделей и выжигаемых литейных моделей. Их качество весьма высокое, однако по точности уступает SLA-моделям, что, в основном, связано с применением не малоусадочных эпоксидных фотополимеров, как в машинах 3D Systems, а акриловых с существенно большим, почти на порядок – 0,6%, коэффициентом усадки при полимеризации.

Тем не менее, их преимущество – достаточно высокая точность и чистота поверхности, прочность, удобство в обращении, при весьма умеренной (по сравнению со стереолитографией) стоимости. Также несомненные преимущества технологии Envisiontec – высокая скорость построения моделей и, следовательно, производительность RP-машины. Проведенные в последнее время эксперименты показали, в целом, хорошую выжигаемость моделей, малую зольность. Были получены кондиционные автомобильные отливки, как вакуумным литьем Al-сплавов в гипсовые формы, так и литьем чугуна в ПФ (маршаллитовые).

Есть все основания считать технологию DLP перспективной и эффективной для литейного производства, а не только для НИР и ОКР. Время (с учетом подготовительно-заключительных операций) построения деталей впускной трубы высотой 32 мм и ресивера высотой 100 мм – 1,5 и 5ч, соответственно. Тогда как на сопоставимой по размерам SLA-машине Viper (3D Systems) такие модели строились бы ≥ 5,5 и 16ч. Представляют интерес машины серий Extrim и EXEDE, которые позиционируются, как AF-машины для серийного производства мастер-моделей и моделей для ЛГМ. Особенность этих машин в том, что, в отличие от других технологий, здесь используют не дискретное (пошаговое), а непрерывное движение платформы вниз с малой скоростью. Поэтому на моделях отсутствуют ярко выраженные ступени, характерные для других способов построения. Модели требуют пост-обработки – удаления поддержек и, в ряде случаев, как и в стереолитографии – дополимеризации. Основные характеристики машин Envisiontec приведены в таблице. Широкий выбор материалов для мастер-моделей, моделей – выжигаемых и для вакуум-формовки (выдерживающих до 150°C), концептуального моделирования делает эти машины особенно привлекательными, когда требуется изготовлять большое количество моделей широкой номенклатуры. Технология MJM (Multi Jet Modeling) получения восковых синтез-моделей. Модели (рис. 12) строятся на 3D-принтерах с использованием специального модельного материала, в со- став которого входит светочувствительная смола – фотополимер на акриловой основе (связующий элемент) и литейный воск (50%). Посредством многоструйной головки материал послойно на носится на рабочую платформу, отверждение каждого слоя – облучением ультрафиолетовой лампой.

Особенность технологии – в наличии т. н. поддерживающих структур – поддержек для удержания нависающих элементов модели в процессе построения. Материал – восковой полимер с низкой температурой плавления, который после построения модели удаляется струей горячей воды.

Недостаток технологии – относительно высокая стоимость расходных материалов - $300/кг; преимущества – скорость получения модели и, не менее важное, высокое качество модельного материала, с точки зрения собственно технологии литья по выплавляемым моделям (формовки, вытапливания модели).

	Размеры зоны построения, мм	Толщина слоя построения, мм	Габариты, мм	Масса, кг
Standart	120´90´230	0,025¼0,150	480´730´1350
Zoom	190´142´230
Standart UV	175´131´230
Extrim	320´240´430	0,025¼0,150	810´730´2200
EXEDE	457´431´508	0,025¼0,150	810´840´2200

От синтез-мастер-модели к отливке

Литье полиуретановых смол и воска в силиконовые формы. Второе интенсивно развивающееся направление использования фотополимеров – это изготовление высокоточных мастер-моделей, как для последующего получения через силиконовые формы восковых моделей, так и для литья полиуретанов. Использование силиконовых форм чрезвычайно эффективно при штучном и малосерийном производстве восковых моделей, при этом, достигается их высокое качество.

Мастер-модели обычно выращивают на SLA-или DPL-установках, которые обеспечивают наилучшую чистоту поверхности и высокую точность построения модели. Достаточно высокое качество имеют и модели, полученные на 3D принтерах типа ProJet и Objet.

Рис. 13. Силиконовая форма (вверху), мастер-модель (внизу слева), восковая модель (в центре), металлическая отливка (справа)

Мастер-модели используют для получения т. н. быстрых форм, в частности, силиконовых (рис.13), в которые затем заливают полиуретановые смолы или воск для последующего литья металлов. Технологии литья в эластичные формы широко распространены в мировой практике. В качестве материала форм используют разные силиконы с малым коэффициентом усадки и относительно высокими прочностью и стойкостью (здесь силикон – это смесь двух исходно жидких компонентов А и B, которые при смешивании в определенной пропорции полимеризуются и образуют однородную относительно твердую массу).

Эластичные формы получают заливкой силиконом в вакууме мастер-модели, которую располагают обычно в деревянной опоке, опоку помещают в вакуумирующую машину, где предварительно в специальной емкости смешивают компоненты A и B, затем силикон выливают в опоку. Вакуум применяют для удаления воздуха из жидких компонентов и обеспечения высокого качества формы и отливок. После заливки в течение 20…40 мин силикон полимеризуется. В комплект поставки оборудования для вакуумного литья, как правило, входит собственно вакуумная машина (одно- или двухкамерная) и два термошкафа: для хранения расходных материалов при ~ 35°C и для выдержки форм при ~ 70°C; последний используют для предварительной термоподготовки

силиконовой формы и литейных материалов непосредственно перед заливкой.

После заливки полиуретановой смолы форму возвращают в печь для полимеризации смолы. Поэтому размер второго термошкафа должен соответствовать размерам вакуумной камеры машины. Специальными приемами форму разрезают на две или несколько частей, в зависимости от конфигурации модели, затем модель извлекают из формы.

Обычной стойкости формы в 50…100 циклов вполне достаточно для изготовления опытной серии отливок. Эти технологии оказались весьма эффективными для производства опытно-промышленных партий и малосерийной продукции, характерной для авиационной, медицинской и приборостроительной отраслей.

Широкий спектр, как силиконов, так и полиуретановых смол, позволяет изготовлять отливки с ударо- и темпостойкими свойствами, разной жесткости в разнообразной цветовой гамме. Современные предприятия, изготовляющие отливки по выплавляемым моделям, обычно имеют в составе технологического оборудования AF-машину для выращивания мастер-моделей и машину для вакуумного литья в силиконовые формы.

М.А. Зленко – д-р техн наук НИИМашТех ОНТИ СПбГПУ.

П.В. Забеднов – инженер ФГУП «Внештехника».

Технология DLP (Digital Light Processing) - применяется при производстве DLP проекторов. Эта технология наиболее распространена в настоящее время и является конкурентом для 3LCD. В основе этой технологии лежит устройство из множества микрозеркал - DMD (Digital Micromirror Device). Под управлением электроники зеркала могут изменять угол наклона, фокусируя свет на экран. Что бы получить черные участки изображения микрозеркала откланяются и направляют свет в светопоглатитель, в остальных случаях свет направляется в фокусирующие линзы. Каждый пиксель на экране это отражение света от одного микрозеркала. Для окрашивания света, его пропускают через светофильтры.
Технология DLP

У различных производителей существуют разные способы окрашивания света в DLP проекторах. Наиболее часто применяемая технология - цветовое колесо, состоящее из трех цветных секторов. Свет проходит через цветной сегмент, приобретая определенный цвет, затем отражается от зеркал и попадает на экран. Цветовое колесо вращается, окрашивая световой луч в другой оттенок, а микрозеркала направляют его на проекционный экран. Так в процессе вращения цвета сменяют друг друга, соответственно и изображения на экране меняются - красное, зелёное, синее. Так как колесо вращается с очень большой скорость и смена картинки происходит тоже очень быстро, то человек не видит смены картинок, а воспринимает целостное цветное изображение. Длительный просмотр такого DLP проектора может утомить некоторых особенно чувствительных людей. Так же в таких DLP проекторах возможен так называемый эффект радуги - по краям изображения появляются разноцветные лучи, что отвлекает и мешает при просмотре фильма и т.п. Чем быстрее происходит смена картинки различных цветов, тем менее заметен эффект радуги. Для устранения этих недостатков производители увеличивают количество сегментов в цветовом колесе. Контрастность картинки при использовании технологии DLP лучше чем 3LCD, потому как зеркала отражают полностью свет в светопоглотитель, при отображении черных участков и изображение выглядит действительно черным. Высокая контрастность одно из основных достоинств DLP проекторов, но чтобы свести к минимуму недостатки технологии - утомляемость глаз и эффект радуги, производителям приходиться применять дорогостоящие приемы, что сказывается на конечной цене хорошего DLP устройства.
Так же существует другие варианты окрашивания света, похожих на 3LCD - три цветных фильтра и три устройства DMD, каждое из которых, независимо друг от друга, отражает свет только своего оттенка. В результате не происходит смены картинок, а на выходе получаем готовое цветное изображение. Таким образом в таком решение нет выше описанных недостатков, такую картинку смотреть очень комфортно. Такие 3DLP проекторы одни из самых лучших на рынке, но и стоимость их достаточно высока.

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