Аддитивные технологии в литейном производстве. Современные проблемы науки и образования

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.

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 ) 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 :

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

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.

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 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

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

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

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.

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

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

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: 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 @

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.

Аддитивные технологии в опытном литейном производстве. Технологии литья металлов и пластмасс с использованием синтезмоделей и синтез-форм

(научный руководитель Центра Аддитивных Технологий ФГУП «НАМИ», д. т. н.

Михаил Зленко; директор ФГУП «Внештехника» Павел Забеднов)

ВВЕДЕНИЕ. 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 изготовление литейной оснастки (в основном деревянные модели) вручную

или с использованием механообрабатывающего оборудования, реже ЧПУ. Это связано с тем, что на этапе ОКР в условиях неопределенности результата, когда конструкция изделия еще не отработана, не утверждена, для изготовления образцов

не целесообразно создавать «нормальную» технологическую оснастку под серийное

производство. В этих условиях весьма дорогостоящая продукция – литейная оснастка, оказывается, по сути разовой, которая в дальнейшей работе над изделием не используется в связи с естественными и существенными изменениями конструкции изделия в ходе ОКР. Поэтому каждая итерация, каждое приближение конструкции

детали к окончательной версии требует зачастую и новой технологической оснастки,

поскольку переделка старой оказывается чрезмерно трудоемкой или вообще не возможной. И в этой связи традиционные методы оказываются не только дороги в плане материальных потерь, но и чрезвычайно затратны по времени.

Переход на цифровое описание изделий – CAD , и появившиеся вслед за CAD

(вследствие CAD !) аддитивные технологии произвели настоящую революцию в литейном деле, что особенно рельефно проявилось именно в высокотехнологичных отраслях – авиационной и аэрокосмической области, атомной индустрии, медицине и приборостроении, в отраслях, где характерным является мало серийное, зачастую

штучное (в месяц, год) производство. Именно здесь уход от традиционных технологий,

применение новых методов получения литейных синтез-форм и синтез-моделей за счет технологий послойного синтеза дало возможность радикально сократить время

на создание новой продукции. Например, характерная для автомобильного

двигателестроения деталь – блок цилиндров. Для изготовления первого

опытного образца традиционными методами

требуется не менее 6-ти месяцев, причем основные временные затраты

приходятся на создание

Quick-cast модель и отливка блока цилиндров (чугун) модельной оснастки для литья «в землю».

Использование для этой цели технологии Quick-Cast (выращивание литейной модели

из фотополимера на SLA -машине с последующим литьем по выжигаемой модели)

сокращает срок получения первой отливки с полугода до двух недель!

Эта же деталь может быть получена менее точной, но вполне пригодной для данных

целей технологией – литьем в выращенные песчаные формы. Согласно этой технологии 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 металла. Весь процесс занимает несколько дней. Значительная часть

«обычных» литейных изделий, не имеющих специальных требований по точности литья или

Фрагменты песчаной формы внутренней структуры, может быть получена в виде готовой продукции в течение нескольких дней: прямое выращивание восковой модели (1 день); формовка+сушка формы (1 день); прокалка

формы и собственно литье (1 день); итого: 3-4 дня с учетом подготовительнозаключительного времени. Практически все автомобильные и авиастроительные

компании промышленно развитых стран имеют в арсенале своего опытного производства десятки AF -машин, обслуживающих задачи НИОКРа. Более того, эти машины начинают использоваться, как «обычное» технологическое оборудование в

единой технологической цепи и для серийного производства.

1. Аддитивные технологии и быстрое прототипирование

Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM) – принятые в

англоязычной технической лексике термины, обозначающие аддитивный, т. е. «добавлением»», метод получения изделия (в противоположность традиционным методам механообработки путем «вычитания» 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 Rapid Prototyping в современном понимании является частью 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, состоит в послойном построении, послойном синтезе изделий – моделей, форм, мастер-моделей и т. д. путем фиксации слоев модельного материала и их последовательного соединения между собой различными способами: спеканием, сплавлением, склеиванием, полимеризацией - в зависимости от нюансов конкретной технологии. Идеология аддитивных технологий базируется на цифровых технологиях, в основе которых

лежит 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 – в 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.

В настоящее время на рынке существуют различные AF -системы, производящие

модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако общим для них является послойный принцип построения модели. Особую роль AF -технологии играют в модернизации литейного производства, они позволили решать ранее не решаемые задачи, «выращивать» литейные модели и формы, которые невозможно

изготовить традиционными способами. Радикально сократились сроки изготовления модельной оснастки. Развитие технологий вакуумного формования и вакуумного

литья по формам и моделям, полученным аддитивными технологиями, дало возможность сократить сроки изготовления пилотных, опытных образцов и в ряде случает серийной продукции в разы и десятки раз. Последние достижения в области

порошковой металлургии позволили существенно расширить возможности аддитивных технологий по непосредственному «выращиванию» функциональных

деталей из металлов и получению новых конструкционных материалов с уникальными свойствами (технологии «spray forming » и др.).

AF -технологии с полным основанием относят к технологиям XXI-го века. Кроме

очевидных преимуществ в скорости и, зачастую, в стоимости изготовления изделий, эти технологии имеют важное достоинство с точки зрения охраны окружающей среды и, в частности, эмиссии парниковых газов и «теплового» загрязнения. Аддитивные

технологии имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции.

«Под давлением» глобального развития трехмерных CAD/CAM/CAE -технологий современное литейное, и в первую очередь опытное, производство претерпевает существенную модернизацию, которая имеет целью создать условия для полноценной реализации принципа «безбумажных» технологий в течение всего процесса создания нового изделия – от проектирования и разработки CAD -модели, до

конечного продукта, быть неотрывной частью цикла проектирования и изготовления прототипов, опытных образцов и малых серий изделий различного назначения с широкой номенклатурой применяемых материалов. И для этой цели «литейщики»

оснащаются совершенно новым для них оборудованием, дающим им новые

возможности для удовлетворения «капризов» конструкторов, но одновременно требующим от них освоения новых знаний, заставляя и технологов, и конструкторов говорить на одном 3D -языке, при этом, если не устраняя, то существенно ослабляя извечное противостояние технолога и конструктора.

Современные Центры Аддитивных Технологий часто в своем полном названии

российской промышленности, где зачастую в рамках одного предприятия

сосредоточено производство огромной номенклатуры изделий из различных материалов, где многие предприятия по разным причинам, но вынуждены содержать

свое «натуральное хозяйство», такой подход является вполне рациональным.

Опытное литейное производство для получения и металлических, и пластмассовых

изделий имеют много общего, а с применением AF -технологий становятся еще более

близкими и по применяемому оборудованию, и по технологическим приемам, и по

обучению и подготовки профессиональных кадров.

2. Аддитивные технологии и литейное производство

Как уже отмечалось, особое значение AF -технологии имеют для ускоренного производства литейных деталей. AF -машины используются для получения:

- литейных моделей;

Мастер-моделей;

- литейных форм и литейной оснастки.

* в рамках одной статьи невозможно привести описание всех технологий и всех машин для послойного синтеза. Здесь мы ограничимся лишь теми технологиями, которые имеют наибольший интерес применительно к задачам машиностроения, опуская из рассмотрения довольно значительное количество машин, «заточенных» на решение специальных задач общей медицины, биологии и стоматологии, электронной или ювелирной промышленности.

2.1. Изготовление литейных синтез-моделей Литейные модели могут быть получены (выращены) из:

- порошкового полистирола (для последующего литья по выжигаемым моделям);

- фотополимерных композиций, в частности, по технологии Quick-cast для последующего литья по выжигаемым моделям или по технологии MJ (Multi Jet ) для

литья по выплавляемым моделям;

2.1.1 Синтез-модели из порошкового полистирола

Полистирол широко используется в качестве модельного материала для традиционного литья по выжигаемым моделям. Однако в связи с бурным развитием

технологий послойного синтеза приобрел особую популярность в области прототипирования, а также для промышленного изготовления штучной и

малосерийной продукции. Полистирольные модели изготавливаются на AF -машинах, работающих по технологии SLS – Selective Laser Sintering – послойное спекание порошковых материалов. Эту технологию часто применяют тогда, когда необходимо

быстро сделать одну или несколько отливок сложной формы относительно больших

размеров

умеренными

требованиями

по точности.

Суть технологии заключается в

следующем.

Модельный

материал

полистирольный

порошок с размером частиц 50-

накатывается

специальным

SLS -машина SinterStation Pro и модель колеса турбины

платформу,

установленную

в герметичной

камере с атмосферой инертного газа (азот). 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. Здесь лазерный

луч является источником тепла, под воздействием которого происходит спекание частичек полистирола (рабочая температура около 120°С). Затем платформа опускается на 0,1-0,2 мм и новая порция порошка накатывается поверх отвержденного, формируется новый слой, который также спекается с предыдущим.

Процесс повторяется до полного построения модели, которая в конце процесса

оказывается заключенной в массив неспеченного порошка. Модель извлекается из

очищается от

Преимуществом

технологии

является

отсутствие

поддержек – они не нужны,

поскольку модель и все ее

строящиеся слои во время

построения

удерживаются

массивом

Полистирольная модель и отливка головки цилиндра ДВС

Имеющиеся

машины фирм 3D Systems

и EOS позволяют строить достаточно крупные модели – размерами до 550х550х750 мм (это важно, это позволяет строить крупные модели зацело, без необходимости

склейки отдельных фрагментов, что повышает точность отливки и надежность,

особенно вакуумного литья). 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

Принципиально технологии литья по восковым и по полистирольный моделям не отличаются. Используются те же формовочные материалы, то же литейное и

вспомогательное оборудование. Разве что восковая модель - «выплавляемая», а полистирольная модель – «выжигаемая». Отличия лишь в нюансах формования и термообработки опок. Однако эти нюансы имеют значение. Работа с

полистирольными моделями требует внимания при выжигании: выделяется достаточно много газов (горючих), которые требуют нейтрализации, материал

частично выгорает в самой форме, есть опасность образования золы и засорения формы, нужно предусмотреть возможность стекания материала из застойных зон, безусловным требованием является использование прокалочных печей с

программаторами, причем программа выжигания полистирола существенно отлична от программы вытапливания воска. Но в целом, при определенном навыке и опыте, литье по выжигаемым полистирольным моделям дает очень хороший результат.

Полистирольная модель (после выращивания и инфильтрации) и отливка, чугун

К недостаткам технологии нужно отнести следующее. Процесс спекания порошка – это тепловой процесс со всеми присущими ему недостатками: неравномерность распределения тепла по рабочей камере, по массиву материала, коробление

вследствие температурных деформаций. Второе. Порошок полистирола не

сплавляется, как например, порошки полиамида или металла, о которых речь пойдет

ниже, а именно спекается – структура модели пористая, 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, восковки, требует весьма аккуратного обращения и при очистке, и при дальнейшей работе в подготовке к формованию. Для придания прочности и удобства работы с ней

(сочленения с литниковой системой,

формовки) модель пропитывают

специальным составом на восковой

основе – процесс называется инфильтрацией. Модель помещают в специальную печь и при температуре

около 80°С пропитывают указанным составом (на фотографии показаны инфильтрированные модели красного

цвета, из машины же извлекаются

Полистирольные модели и отливки, алюминий полистирольные модели снежно-

белого цвета). Это также несет в себе опасность деформирования модели и требует

определенных навыков персонала. Правда, в последнее время появились

полистирольные модельные порошки, не требующие инфильтрации. Это ослабляет, но не устраняет полностью проблему. Кроме того, инфильтрат в виде воска далеко не всегда является вредной необходимостью. Он расплавляется в опоке при выжигании первым, раньше полистирола и когда последний приобретает текучесть,

способствует его выносу из формы, тем самым уменьшая массу «выжигаемой» части полистирола и снижая вероятность образования золы.

Таким образом, когда мы говорим об «умеренных требованиях к точности» при использовании SLS -технологии, имеем в виду отмеченные объективные причины, по которым точность изделий, полученных SLS -технологий, не может быть выше, чем

при использовании других технологий, не связанных с температурными деформациями. Таковой, например, является технология фотополимеризации.

Говоря об SLS- технологии, отметим еще одно, не связанное с полистиролом, но

«родственное»

направление, иногда используемое в литейном деле. Это

выращивание литейной формовочной оснастки

из порошкового полиамида. Полиамид широко

используется

функционального

прототипирования,

полиамидные

достаточно прочные и во многих случаях

позволяют

воспроизвести

прототип

максимально близко к «боевому» изделию. В

оказывается

экономически

целесообразным

применять

полиамидные

модели в качестве альтернативы деревянным.

Модель выращивают, так же как и

полистирольную. При этом по возможности

SLS -модель

распределительного

ее полой с

минимально

возможной

вала и формовочный ящик для

толщиной стенок (с целью минимизации

получения

вышеуказанных температурных деформаций!).

придания

прочности и

жесткости заполняют изнутри эпоксидной смолой. После этого закрепляют в обычном формовочном ящике, красят и далее - по традиционной технологии формования.

Пример такой «быстрой» технологической оснастки для формовки

распределительного вала ДВС показан на рисунке. Ввиду большой длины модель выращена из двух частей, части склеены, заполнены эпоксидной смолой и закреплены в формовочном ящике; продолжительность операций 2 дня.

2.1.2 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). Существует две основные технологии создания моделей из фотополимерных композиций: лазерная стереолитография или

SLA-технология (от Steriolithography Laser Apparatus), или просто

стереолитография - отверждение слоя посредством лазера, 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. Согласно второму 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 обуславливает и различие в скорости построения

модели. Очевидно, что скорость выращивания вторым способом выше. Однако

стереолитография была и остается самой точной технологией и применяется там, где требования к чистоте поверхности и точности построения модели являются основными и определяющими. 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, рациональный 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 случае, когда разнообразие решаемых задач является

очевидным, целесообразно иметь две машины: одну для изготовления изделий с повышенными требованиями, вторую – 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

250х250х250 мм. Основой в SLA -процессе является ультрафиолетовый лазер

(твердотельный или С0 2 ). Лазерный луч здесь является не источником тепла, как в SLS -технологии, а источником света. Луч «штрихует» текущее сечение CAD -модели и

отверждает тонкий слой жидкого полимера в местах своего прохождения. Затем платформа, на которой производится построение, погружается в ванну с фотополимером на величину шага построения и новый жидкий слой наносится на затвердевший слой, и 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. Затем модель извлекается, остатки смолы смываются ацетоном или спиртом, поддержки удаляются. Качество поверхности стереолитографических моделей весьма высокое и часто

модель не требует пост-обработки. При необходимости чистота поверхности может

быть улучшена, «зафиксированный» фотополимер хорошо обрабатывается, и поверхность модели может быть доведена до зеркальной. В некоторых случаях, если угол между строящейся поверхностью модели и вертикалью меньше 30 градусов, модель может быть построена 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

SLA -модель и отливка изделия «шарик», серебро (например, ювелирное изделие

Стереолитография широко применяется для:

- выращивания литейных моделей;

Изготовление 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 др. видов исследований.

Но в контексте данной работы отметим первые два направления, которые важны для непосредственного получения литейных деталей. Для целей литейного производства применяют так называемые Quick-Cast -модели, т. е. модели для «быстрого литья».

Так называют модели, по которым по аналогии с восковыми моделями могут быть быстро получены металлические отливки. Иными словами это модели для литья по

тем же технологиям, что и восковые и полистирольные модели. Но есть важный нюанс. Модели Quick-Cast имеют сотовую структуру массива стенок: внешние и внутренние поверхности стенок выполняют сплошными, а само тело стенки

формируют в виде набора сот. Это имеет большое преимущество: во-первых, существенно, на 70% снижается общая масса модели, а, следовательно, меньше

Quick-cast модель, она же с литниковой системой и отливка головки цилиндров (Al)

материала нужно будет выжигать при подготовке формы к заливке металлом. Вовторых, в процессе выжигания любой модельный материал расширяется и оказывает давление 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 деформирую стенки формы. Это важнейшее преимущество Quck-Cast -технологии.

Здесь же отметим, что в отдельных случаях SLA -модели, так же, как и SLS-

модели, могут быть использованы не как литейные модели, а в качестве оснастки, формовочной модели, для литья «в землю». В этом случае, конечно, в конструкции модели должны быть предусмотрены литейные уклоны и радиусы для выхода модели из формы без

повреждений

последней. Однако этот способ формовки используется редко

из-за недостаточной

прочности SLA -

CAD -модель, SLA -модель и отливка передней крышки ДВС «в землю» модели.

Само по себе получение точной качественной модели – дело дорогостоящее, потеря же и модели, и формы, и оливки становится и еще более дорогостоящим и драматичным, особенно когда дело касается ответственных, сложных деталей. Поэтому SLA- машины очень быстро нашли свое применение в тех узлах технологий,

которые являлись критическими с точки зрения надежного получения сложных литейных изделий, в первую очередь в авиационной, военной и космической

отраслях, а также в автостроении.

Второе, не по значимости, а в порядке упоминания, преимущество – это точность построения модели. Построение модели происходит в обычных условиях при

комнатной температуре. Отсутствуют упомянутые выше факторы термического напряжения и деформаций. Очень малый диаметр пятна лазерного луча, 0,1-0,05 мм позволяет четко «прорабатывать» тонкие, филигранные фрагменты модели, что

сделало стереолитографию весьма популярной технологией в ювелирной

промышленности.

В России имеется достаточно большой опыт применения технологии Quck-Cast в авиационной промышленности («Салют», «Сухой», УМПО, «Рыбинские моторы»), в энергетическом машиностроении («ТМЗ» - Тушинский машиностроительный завод),

некоторый опыт имеется и в научных организациях автомобильного профиля. В частности, в «НАМИ» по этой технологии впервые в России были получены отливки

таких сложных деталей, как головка и блок цилиндров автомобильного двигателя (см. выше). Однако для других отраслей эта технология остается практически неосвоенной.

SLA -модель и отливка рабочего колеса турбоагрегата (ОАО «ТМЗ»)

Основным производителем SLA- машин является американская компания 3D

Systems , которая

выпускает широкую гамму машин с

разными размерами зоны

построения, от 250х250х250 мм до

1500х570х500 мм.. С техническими

характеристиками

машин можно

ознакомиться

кампании

www.3dsystems.com.

приведены

основные

только по одной машине iPro 8000 ,

достаточно

Машина iPro 8000

и SLA -модели

используется

промышленности

литейного производства.

Основные параметры SLAмашины iPro 8000

Размер рабочей

Шаг построения, мм

Габаритные

модели, кг

размеры, мм

Стоимость, как первоначальная, так и владения, пожалуй, единственный

недостаток этой технологии. В связи с наличием лазера эти установки относительно

дороги, требуют регулярного технического обслуживания. Поэтому, особенно в последнее время, когда появилось множество 3D -принтеров, они используются для

построения особо ответственных изделий с повышенными требованиями к точности и чистоте поверхности, в первую очередь для изготовления Quick-Cast - и мастер-

моделей. А для других целей, например, дизайн-макетов используют более дешевые технологии. Стоимость расходных материалов относительно высокая – 200…300 €, но сопоставима со стоимостью модельных материалов других фирм. Время

построения модели зависит от загрузки рабочей платформы, а также от шага построения, но в среднем 4-7 мм в час по высоте модели. Машина может строить

модели с толщиной стенки 0,1…0,2 мм.

Технология DLP

Разработчиком данной технологии является международная компания Envisiontec , которую можно отнести к новичкам AF -рынка, свои первые машины она выпустила в

2003 г. В машинах Envisiontec семейства Perfactory применяется оригинальная

технология DLP - Digital Light Procession . Суть ее заключается в формировании так

называемой «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую

Perfactory EXEDE

Модели Envisiontec и отливки деталей ДВС, алюминий

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 – 3…5 секунд. Таким образом, если в SLA -машинах применяется «точечный» принцип засветки, то в машинах Envisiontec – «поверхностный», т. е. осуществляется засветка всей поверхности слоя. Этим

объясняется весьма высокая скорость построения моделей – в среднем 25 мм в час по высоте при толщине слоя построения 0,05 мм. Материал поддержек – тот же, что и

основной материал – акриловый фотополимер.

Модели Envisiontec используются так же, как и SLA -модели – в качестве мастермоделей и выжигаемых литейных моделей. Качество моделей весьма высокое,

однако уступает SLA- моделям по точности. В основном это связано с применением не малоусадочных эпоксидных фотополимеров, как у машин 3D Systems , а акриловых,

имеющих существенно больший, почти на порядок – 0,6%, коэффициент усадки при полимеризации. Тем не менее, преимуществом являются достаточно высокая точность и чистота поверхности, прочность, удобство в обращении при весьма

умеренной (по сравнению со стереолитографией) стоимости. Несомненным преимуществом технологии Envisiontec является высокая скорость построения

моделей и, следовательно, производительность RP -машины.

В последнее время в «НАМИ» были проведены

эксперименты, которые показали в целом хорошую выжигаемость моделей, малую

зольность. Были получены

кондиционные отливки автомобильных деталей как вакуумным литьем алюминия в гипсовые формы, так и

атмосферным литьем чугуна в

перспективной и эффективной для целей литейного производства и не только для НИР и ОКР. Время (с учетом подготовительно-заключительных операций) построения деталей, приведенных на рисунке – впускной трубы высотой

32 мм и ресивера высотой 100 мм составляет 1,5 и 5 часов

соответственно. Тогда как на сопоставимой по размерам

SLA -машине Viper (3D Systems .) такие модели строились

бы не менее 5,5-ти и 16-ти часов.

Для индустриального применения представляют интерес машины серий Extrim и EXEDE . Эти машины

позиционируются, как AF -машины для промышленного серийного производства мастер-моделей и моделей для литья металла по выжигаемым моделям, а также как

высокопроизводительные машины для сервис-бюро, специализирующихся на оказании услуг в области аддитивных технологий. Машина Extrim имеет один цифровой прожектор с

разрешением 1400х1050 пикселей, EXEDE - два прожектора. Эффективная рабочая

зона построения и толщина слоя построения регулируются сменой линз оптической системы.

Особенностью машин серий Extrim и EXEDE является то, что в отличие от других технологий, здесь используется не дискретное, пошаговое, а непрерывное движение

Поделитесь с друзьями или сохраните для себя:

Загрузка...