На сегодняшний день существует множество технологий для создания реальных объектов из 3D моделей. Наиболее распространенная и доступная технолология — это печать пластиком(технология FDM).
В нашей статье мы приводим классификацию технологи печати и расскажем и каждой из них.

В настоящее время технологии 3D печати разделяются на 4 основных категории:

1. Экструдирование — выдавливание расплавленного материала;
2. Фотополимеризация — отверждение полимера УФ или лазерным излучением.
3. Печать методом спекания и плавления материалов
4. Ламинирование — склеивание слоев материала с последующим вырезанием;

Помимо этого, существуют другие технологии, не попавшие в вышеуказанные категории, мы рассказывем о них в конце этой статьи.

1. 1. Экструзия материала

1.1. Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling, FDM)

Наиболее распространенная технология 3D печати , особенно среди персональных и настольных 3D принтеров.

Технология работает по принципу наплавления материала слоями. Пластиковые или металлические нити разматываются из рулона(картриджа) и поступают в печатающую головку(экструдер). Экструдер разогревает нити до жидкого состояния и выдавливает материал через сопло, перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, слой за слоем формируя объект.

Преимущества технологии 3D-печати по технологии FDM

• . скорость и простота изготовления моделей
• . доступность;
• . безопасность , экологическая чистота и нетоксичность большинства материалов;
• . точность построения;
• . простота использования и обслуживания;
• . прочность деталей;
• . простота утилизации.

Материал для печати : Термопластики (PLA , ABS , PVA , HIPS и т. п.), легкоплавкие металлы и сплавы , съедобные материалы (шоколад и др.)

1.2. Моделирование методом напыления с последующим фрезерованием слоя(Drop On Demand Jet, DODJet)

В этой технологии 3D-печати также используется два вида материалов — модельный и материал поддержки.

Печатающая головка одновременно распыляет оба типа « расходников». Затем специальная фрезеровочная головка производит охлаждение распыленного слоя и его механическую обработку. Технология DODJet позволяет строить высокоточные модели с абсолютно гладкой поверхность. Так как распыление рабочего слоя происходит за счет механически движущийся головки , то скорость изготовления прототипа во многом зависит от сложности печатной модели.

Материал для печати : Литейный воск

1. 2. Фотополимеризация

2.1. Лазерная стереолитография( Laser Stereolithography, SLA)

Технологию изобрел Чарльз Халл. Получив патент на нее , Халл основал компанию 3D Systems , которая и сегодня остается ведущей компанией-производителем SLA-машин.

Технология предполагает использование специального фотополимера — светочувствительной смолы в качестве модельного материала. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Фотополимер затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый слой смолы наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели. Стереолитография — наиболее популярная технология быстрого прототипирования для получения высокоточных моделей. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,025 — 0,15 мм.

SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также используется для выращивания ювелирных мастер-моделей .

Материал для печати : Фотополимерная смола

2.2. Цифровая обработка светом (Digital Light Processing, DLP)

Аналог SLA технологии. В отличии от традиционной технологии стереолитография , использующей сканирующий ультрафиолетовый лазер для того , чтобы сделать жидкий материал твердым , DLP принтер работает по схожему принципу , однако использует DLP-прожектор , который воздействует на каждый слой. Как только первый слой застывает на платформе , платформа опускается немного глубже в резервуар со смолой , а прожектор засвечивает новое изображение , чтобы затвердел следующий слой.

Материал для печати : Жидкая смола

2.3. Технология MJM(Multi-Jet-Modeling)

Технология разработана и запатентована компанией 3D Systems.

В основе MJM - технологии 3D-печати, лежит послойное сечение СAD файла на горизонтальные слои, которые последовательно отправляются на 3D-принтер. Каждый слой формируется печатающей головкой, которая через группы сопел выпускает на горизонтальную движущуюся платформу или расплавленный(температура около 80 C) фотополимер или расплавленный воск. Фотополимер или воск расплавляются в системе подачи материала до того как попадают в печатающую головку. Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то после печати каждого слоя, платформа, на которой выращен слой, отъезжает за печатающую головку под ультрафиолетовую лампу. Вспышка ультрафиолетовой лампы вызывает реакцию фотополимера, вследствие которой материал твердеет. После этого платформа отъезжает опять под печатающую головку и цикл формирования слоя повторяется. Печатающая головка образует новый слой. Особенностями технологии MJM является возможность воспроизводить 3D-модели с высокой точностью. В процессе 3D-печати используется материал поддержки: воск(поставляется отдельными картриджами). Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то материал поддержки удаляется посредством высокой температуры: деталь с поддержкой помещается в печь с температурой ~60 C. Если 3D-печать выполняется из воска, то поддержка удаляется с помощью специального раствора.

Немаловажно и то, что в клей можно добавлять красящие вещества, а, следовательно, есть возможность получить не только объемную модель, но и разноцветную.

Материал для печати : Фотополимерная смола, акриловый пластик, литейный воск

2.4. Полиструйная технология(PolyJet, PJET)

Представлена в 2000 году компанией Objet , которая затем в 2012 году было приобретена компанией Stratasys.

Трехмерная печать PolyJet похожа на струйную печать документов, но вместо струйной подачи чернил на бумагу 3D-принтеры PolyJet выпускают струи жидкого фотополимера, который образует слои на модельном лотке и мгновенно фиксируется ультрафиолетовым излучением. Тонкие слои ложатся последовательно и образуют точную трехмерную модель или прототип. Модели готовы к использованию сразу по извлечении из 3D-принтера, не требуется никакая дополнительная фиксация. Помимо выбранного модельного материала, 3D-принтер также выпускает струи гелеобразного вспомогательного материала, предназначенного для поддержки выступов и сложных геометрических форм. Его легко удалить вручную или с помощью воды.

Технология трехмерной печати PolyJet обладает множеством преимуществ для быстрого прототипирования, быстро и точно образуя потрясающе тонкие детали и гладкие поверхности. Технология использует широкий ряд материалов, в том числе жесткие непрозрачные материалы сотен ярких цветов, прозрачные и цветные полупрозрачные тона, гибкие эластичные материалы и специализированные фотополимеры для 3D-печати в стоматологической и медицинской отраслях, а также в производстве товаров широкого потребления.

Материал для печати : Фотополимерная смола

1. 3. Печать методом спекания и плавления материала

3.1. Селективное лазерное спекание(Selective Laser Sintering, SLS)

Метод SLS был изобретен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г.

По данной технологии модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В отличие от SLA-процесса , в данном случае лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессах SLA и MJM при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе порошка. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается.

Ведущими производителями SLS-машин являются компании Concept Laser (Германия), 3D Systems(США) и EOS GmbH(Германия).

Материал для печати : Термопластик , металлический порошок , керамический порошок , стеклянный порошок

3.2. Прямое металлическое лазерное плавление (Direct Metal Selective Laser Melting, SLM)

Разновидность технологии SLS. Материалом выступают металлы и сплавы в виде порошка. Для печати доступны следующие металлы и сплавы: сталь , нержавеющая сталь , инструментальная сталь , алюминий , сплав кобальт-хром , титан.

Тонкие слои качественного порошка металла равномерно распределяются с использованием специального покрывающего механизма, платформа на которой расположен порошок при этом может опускаться по вертикали. Весь процесс происходит внутри камеры, которая поддерживает жесткий контроль атмосферных инертных газов таких, как аргон, азот, кислород на уровне ниже 500 частей на миллион. Затем каждый слой формируется путем избирательного воздействия лазеров на поверхность порошка с помощью двух высокочастотных сканеров X и Y осей. Процесс повторяется слой за слоем, пока деталь не будет завершена.

Материал для печати : Практически любой металлический сплав в виде гранулы/крошки/порошка

3.3. Э лектронно-лучевая плавка(Electron Beam Melting, EBM)

Эта технология была разработана компанией Arcam AB в Швеции.

Технология представляет собой изготовление деталей путем плавления мощным электронным пучком металлического порошка, наносимого слой за слоем, в вакууме. В отличие от некоторых методов спекания металла, части получаются без пустот, очень прочными.

Технология позволяет изготавливать детали любой геометрической формы с параметрами используемого материала. Машина EBM считывает данные из модели 3D, расположенной, как правило, в CAD файле, и последовательно формирует ее слой за слоем. Эти слои сплавляются вместе с использованием электронного пучка, управляемого компьютером. Таким образом он строит целые части. Процесс происходит в вакууме, что делает его подходящим для изготовления деталей из материалов, сильно подверженных влиянию кислорода, например, титана.

Важным преимуществом является то, что порошок представляет собой чистый конечный материал без каких бы то ни было наполнителей. Так что Вам не нужно подвергать напечатанную деталь дополнительной термической обработке.

EBM работает при температуре, находящейся обычно между 700 и 1000° С. Детали получаются готовыми практически сразу же после остывания.

Титановые сплавы, как уже отмечалось выше, без труда обрабатываются этой технологией, что делает ее подходящим выбором для рынка медицинских имплантатов.

Материал для печати : Сплавы титана

3.4. Выборочное тепловое спекание(Selective Heat Sintering)

Аналог селективного лазерного спекания (SLS), однако в данной технологии вместо высокоточного лазера используется направленное должным образом тепло. Специальная лампа закрывается маской , и таким образом появляется возможность выборочно воздействовать на исходный материал.

Для того, чтобы иметь возможность тепловым потоком, в данной технологии применяют специальные ультрафиолетовые лампы. Одним из основных преимуществ является то, что для данной длины волны ИК-излучения возможно подобрать 2 вида материала: один будет пропускать тепло, а другой будет отражать. Также одним из основных свойств ИК излучения является возможность подобрать такую длину волны, при которой конкретный материал будет поглощать или отражать все излучение.

Интересно отметить, что один слой толщиной 100 микрон(0,1мм) печатается всего за 1-2 секунды. Данная технология — это настоящий прорыв в скоростной печати. Важно подчеркнуть, что модель формируется из порошка, причем весь не использованный порошок можно использовать повторно.

Данная технология позволяет изготавливать модели самых сложных геометрических форм, а также позволяет печатать несколько деталей одновременно.

Материал для печати : Термопластичный порошок

3.5. Послойное распределение клеящего вещества по гипсовому порошку(Powder bed and inkjet head 3d printing, Plaster-based 3D printing, 3DP)

3DP - это специфическая аддитивная технология производства , основанная на использовании порошка и связующего материала. Данная технология запатентована в 1993 году Эли Sachs и Майком Cima из Массачусетского технологического института (MIT) и продана в 1995 году компании Z Corporation , которая , в свою очередь , была приобретена компанией 3D Systems в январе 2012 года.

3DP использует порошковый метод производства аналогичный SLS, но вместо спекания или плавления порошка используется связующее вещество(клей), которое вводится в порошок. Для этих целей используется печатающая головка аналогичная головке струйного 3D принтера.

Технология очень проста: есть слой порошка, по нему сверху проходит печатающая головка и избирательно(по форме сечения) наносит специальную связующую жидкость. Свежий слой порошка распространяется по всей поверхности модели, и процесс повторяется. Когда модель завершена, несвязанный порошок автоматически удаляется.

Материал для печати : Гипс, композит на основе гипса, гипсовый порошок

1. 4. Изготовление объектов с использованием ламинирования(Laminated Object Manufacturing, LOM)

В этой технологии модель изготавливается из тонких слоев полимерной пленки. Предварительно каждый слой будущего изделия вырезается из рабочего материала лазером или механическим резаком. Готовые формы слоев размещаются в установленном порядке и склеиваются. Послойное соединение может происходить разными способами — при помощи местного нагрева , спрессовкой под давлением или обычным химическим склеиванием.

Материал для печати : Бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка

1. 3D- печать от Mcor Technologies

Недавно появившаяся технология , которая позволяет печатать изделия из обычной бумаги формата А4. Резец из твердосплавной стали вырезает каждый слой будущей модели из листа бумаги. Затем слои проклеиваются обычным канцелярским клеем на водной основе. Такую технологию печати использует инновационный 3D-принтер MATRIX 3000.

Материал для печати : стандартная офисная бумага

1. Контурное изготовление(Contour Crafting, CC)

Изобрел технологию профессор Бехрох Хошневис (Behrokh Khoshnevis) из университета Южной Калифорнии СС - это строительная технология и её используют не 3D-принтеры. Устройство для печати более похоже на козловой кран. Вместо многотонного крюка , у которого находится распыляющая бетонную смесь головка со встроенными пневматическими формирователями поверхностей. Мгновенно застывающий бетонный раствор слой за слоем наносится на основу дома. Стены , вместе с проемами , вентиляционными отверстиями , дымоходами в прямом смысле этого слова растут на глазах. На возведение полой « коробки» одного коттеджа площадью 100 метров квадратных уходит примерно восемь часов непрерывной работы.

Материал для печати : бетонная смесь

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

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

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

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

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

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @

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).

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».

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @

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 @