Технологии послойного прототипирования

1. Сегодня на уроке мы узнаем о том, что такое прототипирование.

2. Познакомимся с сутью послойного прототипирования.

3. Поговорим о лазерной и масочной стереолитографии.

4. Разберём методы избирательного лазерного спекания и наплавления.

5. Узнаем о ламинировании и методе трёхмерной печати.

6. Узнаем о сферах применения технологий послойного прототипирования.

При проектировании изделия важен не только его внешний вид, но и удобство сборки, ремонтопригодность и ещё множество характеристик конструкции. Всё это требует проведения натурных испытаний. Если изделие достаточно простое, например, полка для книг, то возможность сборки, ремонта и разборки можно определить по чертежу. Однако некоторые детали так просто не проверишь.

Если в изделии есть очень сложные отверстия, каналы и внутренние полости, то чтение чертежей этих деталей вызовет трудности не только у новичка, но даже у опытных конструкторов и технологов. Однако если хорошо не проверить деталь при изготовлении, то могут появиться ошибки, что повлечёт за собой увеличение времени изготовления и затрат.

Если полку для книг вы можете спроектировать и изготовить за несколько часов, то, например, для изготовления блоков цилиндра двигателя или крыла самолёта профессионалам необходимо несколько месяцев. Именно для того, чтобы сократить время изготовления сложных деталей и применяют технологии послойного прототипирования.

Дадим определение.

Прототипирование – это создание полноразмерной физической модели объекта по виртуальной, то есть компьютерной модели. Другими словами, сначала на компьютере создают объёмную геометрическую модель детали. Затем с помощью специальных программ эту модель разбивают на множество тончайших слоёв. Толщина слоя составляет от одной сотой до трёх десятых миллиметра.

После этого каждый из этих слоёв воспроизводят с помощью различных методов, которые называют технологиями послойного прототипирования.

Перечислим несколько таких методов.

·          Это лазерная и масочная стереолитография.

·          Метод избирательного лазерного спекания.

·          Метод наплавления.

·          Ламинирование.

·          Сюда же относится метод трёхмерной печати.

Теперь познакомимся с каждой из этих технологий поближе.

Начнём с лазерной и масочной стереолитографии.

Эти методы основаны на использовании специальных фоточувствительных полимеров, которые под действием света затвердевают. При лазерной стереолитографии на полимер воздействует свет лазера, а при световой – свет ультрафиолета.

Давайте на примере рассмотрим принцип лазерной стереолитографии.

Начинается лазерная стереолитография с нижнего слоя детали.

Подвижный стол погружают в ванну с полимером на толщину первого слоя. Далее специальным ножом, который называют ракелем, удаляют излишки полимера с детали.

И только после этого начинает работать лазер. Для того, чтобы лазер освещал только те участки сечения, где должен быть материал детали, в сканирующую систему лазера загружают информацию о первом сечении модели.

Под действием света лазера, полимер затвердевает. Те точки сечения деталей, в которых материала нет, не подвергаются воздействию лазерного луча, и отвердевания полимера в них не происходит.

После того, как будет обрисован первый слой, подвижный стол опускается в полимер на толщину второго слоя, и процесс повторяется до тех пор, пока не синтезируются все слои детали. В результате такого процесса получается макет детали, сделанный из полимера.

Масочная стереолитография отличается от лазерной тем, что послойное отверждение полимера происходит при освещении его ультрафиолетовым светом через так называемую фотомаску, то есть трафарет. Фотомаска прозрачна только в тех местах, где должен быть материал детали.

Есть ещё один метод послойного прототипирования, который посредством сканирования лазерным лучом воссоздаёт слои детали. Это метод избирательного лазерного спекания.

От метода литографии его отличает то, что при спекании используют порошок. В результате попадания на него лазерного луча, частицы порошка расплавляются и свариваются между собой.

Для спекания могут использоваться и легкоплавкие порошки полимеров, например, полиамида или полистирола. А можно использовать и порошки металлов.

Достоинством этого метода заключается в том, что можно сразу получить модель из металла, не изготавливая промежуточных полимерных моделей и не выполняя литья и механической обработки.

Поговорим о методе наплавления.

Дадим определение.

Метод наплавления – это технология послойного прототипирования, при которой каждый слой будущей детали формируется путём выдавливания жидкого термопластичного материала на охлаждаемую основу.

Эта технология напоминает процесс украшения тортов кремом.

Температура выдавливаемого материала ненамного выше температуры его затвердевания.

При ламинировании деталь вырезают из листовых материалов, а затем полученные заготовки спекают или другими словами, ламинируют.

И последняя технология послойного прототипирования, с которой мы познакомимся – это метод трёхмерной печати.

В названии метода присутствует слово печать. Действительно, эта технология очень похожа на работу обычного струйного принтера, только вместо краски используется жидкое связующее вещество.

На платформу наносят слой керамического порошка необходимой толщины. После этого печатают слой. Делают это так: из сканирующей печатной головки в требуемые точки модели поступает жидкое связующее вещество. Оно формирует из частиц порошка жёсткую структуру, которая и образует тело детали.

После того, как последний слой детали будет изготовлен, несклеенные частицы порошка удаляют. Остаётся только проводить тепловую обработку до тех пор, пока деталь полностью не затвердеет.

Где же используются методы послойного прототипирования?

Их широко применяют при изготовлении литейных форм, пресс-форм и литейных моделей, для изменения аэродинамических характеристик изделий и так далее.

Ещё одна сфера использования – это медицина.

С помощью методов послойного прототипирования изготавливают копии человеческих органов или костей, которые используют для моделирования хирургических операций и создания имплантов. На модели хирургу проще отработать операционные действия или изготовить имплант, который будет подходить человеку.

Кроме того, модели изготавливают из материалов, которые по своим свойствам очень близки к тому веществу, из которого изготовлен оригинал. Благодаря этому врачи могут повысить точность хирургических манипуляций и сократить длительность самой операции.

Подведём итоги урока.

Сегодня мы узнали, что такое прототипирование, познакомились с сутью послойного прототипирования.

Поговорили о лазерной и масочной стереолитографии.

Разобрали методы избирательного лазерного спекания и наплавления.

Узнали о ламинировании и методе трёхмерной печати.

И поговорили о сферах применения технологий послойного прототипирования.