Технологии аддитивного производства

Оглавление

Оглавление. 2

1. Фотополимеризация. 3

1.1. Стереолитография (SLA) 3

1.2. Масочная стереолитография (SGC) 4

1.3. PolyJet 6

1.4. Цифровая светодиодная проекция (DLP) 7

1.5. Многоструйное моделирование (MJM) 9

2. Спекание и склеивание порошков и листовых материалов. 10

2.1. Выборочная лазерная плавка (SLM) 10

2.2. Выборочное лазерное спекание (SLS) 13

2.3. Выборочное тепловое спекание (SHS) 15

2.4. Электронно-лучевая плавка (EBM) 16

2.5. Метод ламинирования (LOM) 19

2.6. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) 20

2.7. Объемная наплавка (LENS) 22

2.8. Прямое нанесение металла (DMD) 24

3. Тепловая обработка твердых материалов. 26

3.1. Метод послойного наплавления (FDM) 26

3.2. DODJet 30

4. Другие технологии. 31

4.1. Цветная струйная печать (CJP) 31

4.2. Струйная трехмерная печать (3DP) 33

4.3 Селективное прессование (SDL) 35

Фотополимеризация

Стереолитография (SLA)

История

Термин «стереолитография» был придуман в 1986 Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твердых физических объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Патент Халла описывал применение ультрафиолетового лазера, проецируемого на поверхность емкости, заполненной жидким фотополимером. Облучение лазером ведет к затвердеванию материала в точках соприкосновения с лучом, что позволяет вычерчивать контуры заданной модели слой за слоем. В 1986 году Халл основал собственную компанию, 3D Systems, для коммерческого продвижения новой технологии. На сегодняшний день 3D Systems является одним из мировых лидеров среди компаний-разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства.

Технология

По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак с жидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от 0,05мм до 0,15мм. После выравнивания поверхности жидкого материала начинается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построения полной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке в ультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.

Стереолитография требует использования поддерживающих структур для построения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). Опоры предусматриваются в файле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления.

Преимущества и недостатки

Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении. В то же время существуют промышленные установки, способные печатать крупногабаритные модели, где изделия измеряются уже в метрах. Готовые изделия могут обладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов.

Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходных материалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, в то время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000. Высокая популярность технологии способствует разработке более доступных моделей, таких как FORM1 от компании Formlabs или Pegasus Touch от FSL3D с заявленной стоимостью в $2 400 и $3 500 соответственно.

Масочная стереолитография (SGC)

История

Масочная стереолитография (solid ground curing, SGC) – технология аддитивного производства, схожая с технологией печати методом цифровой светодиодной проекции (DLP).

Технология была разработана и внедрена в жизнь в 1986 году компанией Cubital Ltd. Компания Cubital перестала существовать, а все интеллектуальные права были переданы компании Objet Geometries Ltd. В 2012 году в результате слияния Objet Geometries Ltd и Stratsasys интеллектуальные права на эту технологию перешли к Stratsasys.

Вариант технологии SGC, используемый на принтерах компании 3D Systems известен под названием Film Transfer Imaging или FTI.

Технология

Технология основана на нанесении тонких слоев фотополимерной смолы с последующим облучением материала ультрафиолетовым светом. Облучение происходит по физическому фотошаблону или «маске» соответствующего контура. Облучение приводит к полимеризации (затвердеванию) материала, после чего лишний материал удаляется из рабочей зоны, а полости заполняются легкоплавким воском. При необходимости производится механическая обработка поверхности, после чего производственный цикл повторяется. По завершении построения модели воск выплавляется, оставляя готовую модель, не требующую дополнительного облучения в ультрафиолетовой печи для полной полимеризации.

В качестве расходных материалов используются фотополимерные смолы. Подбор подходящего материала может потребовать определенного внимания ввиду технологических особенностей производства – при необходимости механической обработки полимер должен обладать соответствующими характеристиками. Как правило, используются фотополимеры, напоминающие по прочности и вязкости ABS-пластик.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом SGC является отсутствие необходимости в построении поддерживающих структур, как в случае с такими стереолитографическими методами, как SLA или DLP. В дополнение к высокому разрешению по горизонтали, механическая обработка каждого наносимого слоя позволяет добиваться высокой точности по оси Z. Наконец, технология отличается достаточно высокой производительностью за счет одновременного облучения целых слоев. Среди недостатков следует отметить достаточно высокую шумность и большое количество отходов, повышающее себестоимость печати. Сами же установки достаточно дороги ввиду сложности конструкции. В последнее время метод SGC почти не используется, а его вариация FTI стала практически неотличима от цифровой светодиодной печати (DLP) ввиду внедрения цифровых проекторов.

PolyJet

Технология

3D печать по технологии PolyJet напоминает печать обычным струйным принтером. Но вместо напыления чернил на поверхность бумаги 3D принтеры типа PolyJet делают послойное напыление жидкого фотополимерного пластика на специальной внутренней площадке. Затем пластик затвердевает под воздействием ультрафиолетовой лампы. Слои наслаиваются один на другой, и, в результате, получается объёмная модель или прототип. Затвердевшую модель можно брать в руки и пользоваться ей сразу, не прибегая к дополнительной обработке. Помимо определённых материалов для моделирования, 3D принтер использует гелеобразный опорный материал, разработанный специально для укрепления длинных выступов и элементов сложной геометрической формы. Он легко удаляется с помощью руки или смывается водой. Технология 3D печати PolyJet идеально подходит для быстрого прототипирования ввиду целого ряда преимуществ, к которым относятся: превосходное качество, скорость, высокая точность и широкий спектр используемых материалов. 3D принтеры Objet Connex от Stratasys, основанные на технологии PolyJet, являются единственными системами аддитивного моделирования, которые позволяют использовать в 3D печати различные материалы для производства одной 3D модели в ходе единого рабочего цикла.

3D принтеры Objet Connex оборудованы уникальной технологией, позволяющей использовать в ходе прототипирования сразу несколько материалов за один рабочий цикл. То есть вы можете использовать при изготовлении одного прототипа несколько базовых материалов и даже создавать комбинированные материалы с помощью смешения базовых. Такие комбинации будут обеспечивать именно те физические свойства, которые вам требуются. Используя более 100 различных базовых материалов, а также полученных на их основе комбинаций – от твёрдых до каучукообразных, от непроницаемых до совершенно прозрачных – можно достичь превосходной степени реализма.

Преимущества и недостатки

Преимущества технологии:

а) толщина слоя до 16

б) быстро печатает, так как жидкость можно наносить очень быстро.

Недостатки технологии:

а) печатает только с использованием фотополимера — узко-специализированный, дорогой пластик, как правило, чувствительный к УФ и достаточно хрупкий.

Применение: промышленное прототипирование и медицина

Метод ламинирования (LOM)

Технология

Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) – технология быстрого прототипирования, разработанная компанией Helisys Inc. Метод подразумевает последовательное склеивание листового материала (бумаги, пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Объекты, производимые этим методом, обычно подлежат дополнительной механической обработке после печати. Толщина наносимого слоя напрямую зависит от толщины используемого листового материала.

Компания Mcor Technologies использует вариант технологии, получивший название «Выборочное ламинирование» или SDL. Этот метод предусматривает нанесения клея только в местах, входящих в состав расчетной модели, что облегчает процесс удаления лишнего материала. В отличие от стандартной технологии на основе лазерной резки, SDL использует механическую резку с помощью лезвия из карбида вольфрама. Это позволяет несколько снизить стоимость устройств.

Процесс печати протекает следующим образом:

· Лист материала с клейким покрытием наносится на рабочую платформу (или нижние слои модели) с помощью разогретого ролика.

· Контур слоя вычерчивается с помощью лазера.

· Лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры удаления.

· Платформа с готовым слоем передвигается вниз.

· В рабочую камеру подается новый лист материала.

· Платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом.

Цикл повторяется до завершения постройки модели, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия (сверление, шлифовка и пр.)

Преимущества и недостатки

Низкая себестоимость благодаря общедоступности расходных материалов.

Бумажные модели приближаются по физическим характеристикам к древесине, что позволяет проводить соответствующую механическую обработку. Разрешение печати несколько уступает таким высокоточным методам, как стереолитография (SLA)или выборочное лазерное спекание (SLS).

Технология допускает производство достаточно крупногабаритных моделей.

Объемная наплавка (LENS)

История

LENS технология была разработана компанией Optomec (США) в конце 90‑х годов по заданию DARPA для мобильного ремонта техники в ВПК.

Технология

Металлический порошок доставляется в зону наплавки одновременно с лучом лазера (мощностью 0,5–4,0 кВт).

Оператор может изменять состав наносимого порошка (за счет подключаемых питателей, до 8 штук), скорость перемещения головки, размер пятна лазерного луча, защитная атмосфера в зоне расплава, все это обеспечивает получение необходимой структуры наплавленной зоны.

Технология может быть реализована в виде автономных установок с рабочей зоной от 100×100×100 мм до 1500×900×900 мм с контролируемой атмосферой или в виде модульной установки на основе имеющегося станка с ЧПУ или робота.

Можно использовать практически любые металлы и сплавы на основе титана, никеля, кобальта, нержавеющих сталей, жаропрочных и тугоплавких на основе вольфрама, молибдена и ниобия, сплавов на основе алюминия, меди и цинка, а также композитных материалов с использованием карбидов титана, вольфрама, хрома.

Требования к порошкам для технологии LENS помимо нужного химического состава следующие:

•  Сферическая форма;

•  Размеры частиц 45-150 мкм;

• Отсутствие сателлитов;

• Отсутствие газовых включений.

Преимущества и недостатки

· можно добавлять материал или элементы к существующей структуре;

· правильная микроструктура и контроль за свойствами материала, процессом и газовой средой, следовательно, гарантированное качество наплавки;возможность использования нескольких материалов;

· возможность использования сплавов, которые не получить другим способом;

·  сложная геометрия: возможность ремонта объемных изделий от тонких элементов до выращивания крупноразмерных;

· минимальное воздействие на микроструктуру материала подложки, малая зона теплового воздействия;

· ремонт внутри каналов, в труднодоступных или невидимых зонах со сложной геометрией;

· прямое цифровое производство;

· минимум припусков на обработку: точное выращивание, минимум времени на финишную обработку;

· полный компьютерный контроль, гибкое проектирование путей инструмента: автоматизация и повторяемость;

·  скорость наплавки металлических порошков зависит от мощностилазера (0,5 кВт — 0,1 кг/час; 4 кВт — 1,0 кг/час). Шероховатость поверхности наплавки в пределах 12–25 мкм.

· быстрый возврат инвестиций за счет восстановления неремонтопригодных деталей (как пример, экономия в $20 млн в компании Annistom Army Depot, США).

Прямое нанесение металла (DMD)

Технология

DMD (Direct Metal Deposition) — это разработанная фирмой POM новая аддитивная технология, которая призвана перевести металлообработку и изготовление оснастки в новое русло. Этот способ прямого изготовления металлических деталей является важнейшим шагом в технологиях металлообработки за последние десятилетия. DMD позволяет получить нужные изделия из материалов с улучшенными характеристиками за меньшее время и с меньшими затратами, чем это позволяют традиционные технологии.

DMD сочетает в себе пять общеизвестных технологий: лазеры, CAD, CAM, сенсоры и порошковую металлургию. Управляющая программа манипулирует форсункой и оптикой, направляющей СО2-лазер в соответствии с траекториями движения инструмента (САМ), созданными по трехмерной CAD-модели. Луч лазера фокусируется на заготовку или пре-форму из инструментальной стали для образования зоны расплавленного металла. Металлический порошок, обычно инструментальная сталь (H13, P20, S7 или SS) или чистая медь OFHC подводится из подающего лотка с помощью инертного газа в форсунку и тонкой струей впрыскивается в динамическую область расплава для увеличения ее объема. Луч лазера, управляемый компьютером, перемещается в соответствии с геометрией детали, послойно выращивает металлическую деталь.

В ходе этого процесса расплавленный металл быстро остывает (103º/сек) и отвердевает. В результате получаются металлические детали превосходного качества, обладающие высокой прочностью и имеющие однородную микроструктуру.

Что особенно важно, процесс DMD позволяет быстро изменять состав металла путем инжекции в расплав разных типов металлических порошков. Это дает возможность создавать гибридные или градированные металлические композиты, которых еще не было на рынке.

Благодаря этой лазерной технологии, POM может изготовить трехмерные металлические компоненты с малыми допусками и идеальными свойствами непосредственно по данным CAD. Что это означает? Ускорение выпуска изделий на рынок, снижение стоимости оснастки и повышение производительности.

С точки зрения дизайна, CAD-геометрия необходима там, где материал будет добавляться к форме. Существующая геометрия формы вычитается из конструкции новой формы. Разница между двумя геометриями «разрезается» на слои, по которым с помощью обычных пакетов САМ создаются траектории движения инструмента, идентичные тем, которые используются на станках с ЧПУ. Эти «традиционные» САМ-траектории затем обрабатываются, инвертируются, к ним добавляются команды управления лазером и системой подачи порошка в обычных G- и M-кодах ЧПУ. Подготовленные данные передаются на установку DMD.

Некоторые особенности DMD особенно незаменимы при изготовлении промышленных форм из инструментальной стали. Что особенно важно, эта технология создает полностью насыщенные формы или формообразующие поверхности из инструментальной стали без какого-либо синтеза или выжигания связующего вещества. Кроме того, точность процесса составляет ±0,005 дюйма. Но поскольку DMD создает детали «почти точной формы», они обычно подвергаются доводке на электроэрозионных станках для достижения точных размеров. Рабочий конверт составляет 24 дюйма по всем осям.

Охлаждение форм — другая область, в которой DMD не знает себе равных. Для создания конформных охлаждающих каналов в каждом слое по специальной схеме «постранично» наносится вспомогательный металл. По окончании построения формы вспомогательный металл выжигается, оставляя канал. Также, добавляя медный порошок в отдельные участки, DMD создает теплоотводы для направленного охлаждения (поверхности остывают в определенном направлении) во избежание дефектов на поверхностях класса A.

Стандартных систем DMD не существует. Размер и конфигурация оборудования зависят от его назначения. Внутри рабочей области зажимы и крепления, характерные для механообработки, отсутствуют: они не нужны для аддитивного процесса. Лазерная головка располагается там, где должен быть вертикальный шпиндель; она соседствует с оптическим устройством обратной связи, содержащим CCD-камеру; именно это устройство и отличает технологию DMD от других. Это очень важная часть оборудования, поскольку она отвечает за ход нанесения слоев. С учетом того, что при построении объекта создаются сотни слоев, обратная связь крайне важна для получения высокого качества. Рядом с сенсором находится труба, подающая металлический порошок в рабочую зону.

Преимущества и недостатки

Достоинства

Формообразующие поверхности:

· Сокращение цикла

· Снижение коробления деталей

· Увеличение срока службы форм

· Снижение затрат на переделку

· Исключение этапа опытной оснастки

· Снижение стоимости оснастки благодаря снижению количества полостей формования

Ремонт

· Поверхности класса "А"

· Более полная окупаемость форм ($$/деталь)

· Ремонт с восстановлением цвета

· Восстановление важнейших деталей до состояния "как новая"

· Ремонт изделий из разных металлов (титан, сталь, алюминий, медь, олово и т.д.)

Прототипирование

· Функциональные прототипы

· Обратный инжиниринг

· Маркетинговые исследования

Модифицированные поверхности

· Прочные металлургические связи

· Определяемая пользователем толщина покрытия

· Уникальные легированные поверхности

· Замена "впрессованных" стальных вставок в алюминиевые детали

DODJet

Технология

Технология 3d печати DODJet (Drop-On-Demand-Jet) используется в 3д принтерах Solidscape. 3D печать происходит на основе напыления капель нагретого модельного материала и дальнейшего фрезерования слоя.

В технологии 3д печати DODJet задействованы два вида расходных материалов – модельный материал и материал поддержки. Печатающая головка одновременно распыляет эти два вида материалов, после чего фрезеровочная головка производит фрезерование и дальнейшую механическую обработку. Технология DODJet позволяет получить готовые модели высокого качества с идеально гладкой поверхностью. Скорость 3d печати напрямую зависит от движущейся печатающей головки и сложности геометрии самой 3d модели.

Перед стартом 3д печати модельный материал и материал поддержки в специальных контейнерах нагревается до жидкого состояния. Затем материал подается на печатающий блок, двигаясь по осям x, y. Материал распыляется, и уже после чего производится фрезеровка специальной головкой.

Преимущества и недостатки

Преимущества технологии 3д печати DODJet

· Гладкость поверхности – готовые модели имеют очень гладкую поверхность;

· Разрешение 3d печати достигает 3 мкм; (не имеет аналогов в мире);

· Точность построения не превышает 0,0254 мм;

· Точность фрезеровки варьируется от 0,0008 до 0,0016 мм;

Из недостатков технологии следует отметить невысокую скорость 3d печати, которая зависит от точности построения поверхности: чем выше точность, тем ниже скорость;

Другие технологии

Технологии аддитивного производства

Оглавление

Оглавление. 2

1. Фотополимеризация. 3

1.1. Стереолитография (SLA) 3

1.2. Масочная стереолитография (SGC) 4

1.3. PolyJet 6

1.4. Цифровая светодиодная проекция (DLP) 7

1.5. Многоструйное моделирование (MJM) 9

2. Спекание и склеивание порошков и листовых материалов. 10

2.1. Выборочная лазерная плавка (SLM) 10