3D-печать по новой технологии MOVINGlight

Если еще 10 лет назад в России 3D-принтеры использовались только на некоторых закрытых предприятиях, то в течение ближайшей декады мы вполне можем увидеть изменение привычных циклов и принципов производства за счет внедрения аддитивных технологий в промышленных масштабах. Кроме того, у нас уже идет активная работа по стандартизации и регламентации использования 3D-принтеров в производстве на государственном уровне.

ООО «Остек-СМТ» не только предлагает оборудование для промышленной 3D-печати, но и проводит собственные исследования, дающие возможность выгодно применять уже существующие технологии для решения сложных задач. Данная статья позволит по-новому взглянуть на стереолитографию, или 3D-печать светоотверждаемым фотополимером.

Преимущества технологии MOVINGlight

Развитию технологий 3D-печати положила начало стереолитография. Она появилась в 1980-х гг. в США, затем применялась и в СССР. Суть ее достаточно проста: построение модели происходит в баке с жидким фотополимером, посредством программного обеспечения изделие виртуально разбивается на слои, а ультрафиолетовый лазер, установленный над баком, засвечивает фотополимер по форме каждого слоя. В 2010-х гг. технологию модернизировали: в MOVINGlight вместо медленного лазера используется быстрый ультрафиолетовый проектор, который, перемещаясь, позволяет повысить скорость производства изделий до десяти раз. Кроме того, стал доступен более широкий спектр применяемых материалов: от высокотемпературных пластиков до био- и оксидной (технической) керамики (рис. 1). Результат печати по технологии MOVINGlight — точные пластиковые и керамические изделия (до 0,1% от линейных габаритов) с высоким качеством поверхности: Ra составляет 0,5–5 мкм. Аппаратное разрешение такого 3D-принтера дает возможность печатать 605?605?1016 dpi (разрешение порядка 40 мкм).

Рис. 1. Рабочая область 3D-принтера Prodways, работающего по технологии MOVINGlight

Благодаря габаритам печатающей зоны технологию MOVINGlight можно применять для печати как небольших, так и крупных изделий — до 800?330?400 мм. Многообразие доступных материалов предусматривает использование многофункционального принтера, а также позволяет внедрять эффективные решения для послойного аддитивного наращивания во многих областях, включая биомедицину и промышленность (таблица).

Таблица. Характеристики материалов, применяемых в технологии MOVINGlight PLASTCure Model 100* PLASTCure Model 300* PLASTCure Clear 100* PLASTCure Clear 200* Внешний вид Непрозрачный материал бежевого цвета Непрозрачный материал бежевого цвета с красноватым оттенком Прозрачный материал Прозрачный материал Плотность жидкости (г/см 3 ) 1,113 1,105 1,113 1,103 Вязкость при +28 °С (сП) 600–700 300–400 600–700 500–600 Твердость (по Шору, по шкале D) 85–90 85–90 80–85 85–90 Прочность на растяжение А5ТМ D638 (МПа) н/д н/д н/д н/д Удлинение на разрыв ASTM D638 (%) н/д н/д н/д н/д Модуль упругости на растяжение ASTM D638 (МПа) н/д н/д н/д н/д Остаточная зольность Неприменимо Неприменимо Неприменимо Неприменимо Предел прочности на изгиб ASTM D790-10 (МПа) 75–85 110–120 80–90 110–120 Модуль упругости на изгиб ASTM D790-10 (МПа) 1900–2100 2300–2500 2000–2200 2400–2600 Ударная вязкость по Изоду ASTM D256A (Дж/м) н/д н/д н/д н/д Теплостойкость на изгиб при 0,46 МПа ASTM D648 (°С) н/д н/д н/д н/д Технические характеристики Простое построение деталей. Высокая точность изготовления компонентов. Качественный внешний вид. Высокая точность и хорошая разрешающая способность. Возможность изготавливать изделия с острыми краями и высоким уровнем детализации. Высокая прочность неспеченного материала и хорошие механические свойства. Ультрапрозрачный материал. Конечные изделия биосовместимы. Удовлетворяет критериям по раздражению, сенсибилизации и цитотоксичности для биологической оценки медицинских изделий (DIN ISO 10993). Можно подвергать стерилизации паром в течение продолжительного времени (>15 мин). Ультрапрозрачный материал. Примеры стандартного применения Изготовление всего спектра моделей зубного ряда: от пломбирования до ортодонтического лечения. Изготовление всего спектра моделей зубного ряда: от пломбирования до ортодонтического лечения. Широкий спектр медицинского применения: например, хирургические шаблоны или модели. Широкий спектр применения в областях, где требуются прозрачные материалы: например, хирургические шаблоны или модели. Изготовитель Dreve Prodways Dreve Prodways

Таблица. Характеристики материалов, применяемых в технологии MOVINGlight PLASTCure Cast 100* PLASTCure Cast 200* PLASTCure Rigid 10 500* PLASTCure ABS 3650* PLASTCure ABS 2800* Внешний вид Полупрозрачный материал красного цвета Полупрозрачный материал оранжевого цвета Непрозрачный материал цвета слоновой кости Прозрачный материал Материал белого цвета Плотность жидкости (г/см 3 ) 1,095 1,114 1,595 1,109 1,109 Вязкость при +28 °С (сП) 100–200 250–300 650–750 100–200 140–150 Твердость (по Шору, по шкале D) 80–85 85–90 90–95 85–90 85–90 Прочность на растяжение А5ТМ D638 (МПа) 40–50 н/д 68 53 55–60 Удлинение на разрыв ASTM D638 (%) 3–4 н/д 1–2 9 3–5 Модуль упругости на растяжение ASTM D638 (МПа) 2300–2500 н/д 10000–11000 2600–3650 2700–3000 Остаточная зольность <0,1% <0,1% Неприменимо Неприменимо Неприменимо Предел прочности на изгиб ASTM D790-10 (МПа) 90–100 65–75 100–140 90–100 100–110 Модуль упругости на изгиб ASTM D790-10 (МПа) 2300–2500 1600–2000 8000–10000 2000–2200 2600–3000 Ударная вязкость по Изоду ASTM D256A (Дж/м) н/д н/д 17 20 н/д Теплостойкость на изгиб при 0,46 МПа ASTM D648 (°С) н/д н/д 132 96 н/д Технические характеристики Высокая реакционная способность и низкая вязкость. Высокая прочность неспеченного материала, хорошая стабильность геометрических размеров. Подходящие качества для выжигания и низкое содержание остаточного вещества. Можно размещать непосредственно при температуре +800 °С. Хорошая реакционная способность и низкая вязкость. Высокая точность. Возможность изготавливать детали с острыми краями. Подходящие характеристики для выжигания с зольностью, практически равной нулю. Хорошее детальное разрешение и качество боковых стенок. Простота обработки. Улучшенные термомеханические свойства. Хорошая химическая стойкость. Высокая прозрачность. Быстрая адаптация материала к широкому спектру строительных условий. Ручная обработка не требуется. Хорошая химическая стойкость. Высокая прозрачность. Быстрая адаптация материала к широкому спектру строительных условий. Ручная обработка не требуется. Примеры стандартного применения Отвечает высоким требованиям, предъявляемым к цифровому моделированию. Хорошо подходит для прямого литья по выплавляемым моделям или применения в стоматологии. Подходит для изготовления деталей, требующих тепловой устойчивости, высокой точности и быстрого цикла обработки. А также для изделий, испытываемых в аэродинамической трубе и используемых в уникальных областях применения, подвергаемых скоростной механической обработке или высокотемпературным испытаниям, применяемых в качестве трубок для прокладки электропроводки и кожухов в автомобильной промышленности. Хорошо подходит для применения в медицине, электронной, аэрокосмической и автомобильной областях промышленности, в которых требуются изделия с низкотемпературной вулканизацией, прочные концептуальные модели, высокая точность, а также изделия, устойчивые к воздействию влаги и температуры. Хорошо подходит для применения в медицине, электронной, аэрокосмической и автомобильной областях промышленности, в которых требуются изделия с низкотемпературной вулканизацией, прочные концептуальные модели, высокая точность, а также изделия, устойчивые к воздействию влаги и температуры. Изготовитель Dreve Prodways DSM Somos DSM Somos DSM Somos

Варианты применения

За счет перечисленных в таблице характеристик материалов технология MOVINGlight подходит не только для печати высокоточных прототипов (рис. 2), но и для создания промышленной оснастки, а в некоторых случаях и конечных изделий.

Рис. 2. Функциональный прототип, напечатанный из керамонаполненного пластика

Рассмотрим примеры использования данной технологии в таких областях, как печать пластиком, литье и 3D-MID. Напечатанные по технологии MOVINGlight прототипы уже сейчас используют как мастер-модели для литья в силикон, но наиболее интересным применением в производстве оснастки является прямая 3D-печать пластиковых пресс-форм для инжекционного литья пластиков, а также для вакуумной формовки. Для данных задач применяется температуростойкий материал PLASTCure Rigid 10500 с добавлением керамического порошка. Температура, которую выдерживают формы из такого материала, зависит от геометрии отливаемой детали и охлаждающих каналов. Теплостойкость на изгиб при 0,46 MПa ASTM D648 у этого керамонаполненного пластика составляет +132 °C, однако после закалки можно получить теплостойкость на изгиб при 0,46 MПa ASTM D648 порядка +260 °C.

Чтобы проверить возможности технологии MOVINGlight в производстве пресс-форм под мелко­серийное инжекционное литье, компания Prodways, производитель 3D-принтеров, провела эксперимент.

Из материала PLASTCure Rigid 10500 была напечатана двухкомпонентная пресс-форма для инжекционного литья пластиков с учетом особенностей 3D-печати. Задачей являлось изготовление не менее 250 отливок из полипропилена и полиформальдегида и не менее 30 отливок из стеклонаполненного полиамида. Размеры деталей — малые и средние, в данном случае использовались инжекционные машины на 50–100 тонн. Заданное количество отливок получить удалось, и эксперимент был признан успешным (рис. 3).

Рис. 3. Пресс-форма из керамонаполненного пластика PLASTCure Rigid 10500 (а), а также отливки, произведенные в эту пресс-форму (б)

После этого были проведены испытания по литью более широкого круга пластиков. В результате получено несколько сотен отливок из полипропилена (PP), полиэтилена (PE), полистирола (PS), АБС-пластика (ABS), термопластичных эластомеров (TPE), полиформальдегида (POM), сплава поликарбоната и АБС-пластика (PC+ABS) и полиамида (PA). Также несколько десятков отливок можно сделать из стекло­наполненного полиамида (PA+GF), стеклонаполненного полиформальдегида (POM+GF) и стеклонаполненного поликарбоната (PC+GF).

Преимущество технологии MOVINGlight состоит в том, что опытную партию пластиковых отливок можно изготовить быстро и с минимальными финансовыми и временными затратами на производство оснастки. Пресс-форма проектируется в САПР и затем просто печатается на 3D-принтере. В итоге опытное производство можно сократить с нескольких месяцев до одной недели при качестве изделий, аналогичном отливкам в алюминиевые пресс-формы.

Еще одно доступное использование MOVINGlight в сочетании с керамонаполненным пластиком PLASTCure Rigid 10500 — печать оснастки для вакуумной формовки ограниченной серии изделий либо опытной партии. Преимущества в этом случае аналогичны, пример такого применения приведен на рис. 4. Возможность печатать сетчатые внутренние структуры оснастки для формовки позволяет равномернее вакуумировать ее, что, в свою очередь, позволяет добиться более плотного прилегания разогретого листа материала и получить изделие более высокого качества. Такая оснастка изготавливается примерно за два дня и может использоваться для диапазона от 10 до 100 формовок.

Рис. 4. Изделия, произведенные вакуумной формовкой по оснастке из керамоненаполненного пластика PLASTCure Rigid 10500

«Остек-СМТ» провел собственные опытные работы по применению технологии MOVINGlight в создании трехмерных схем на пластиках (3D-MID), которые состоят из литых термопластиковых оснований с интегрированной системой соединений. Изделия на пластиках позволяют упростить конструкцию, сократить количество сборочных единиц и вес изделия, а также повысить его надежность. Кроме того, они являются более экологичными по сравнению с обычными печатными платами, хотя их не заменяют, а скорее дополняют. Ключевые рынки для 3D-MID-технологии — автомобильная электроника и телекоммуникации. Помимо них, 3D-MID также подходит для компьютеров, бытовой техники и медицинских технологий.

Между макетированием и серийным производством есть несколько этапов создания прототипов, однако для единичного или мелкосерийного производства создание прототипов обычно бывает либо невозможным, либо дорогим. Решить эту проблему можно с помощью технологии MOVINGlight.

Рис. 5. Диэлектрическая проницаемость материала PLASTCure Rigid 10500

Для печати прототипов изделий с трехмерными схемами (рис. 5) был выбран материал PLASTCure Rigid 10500, обладающий, помимо высокой температуростойкости, приемлемыми показателями диэлектрической проницаемости. Пластиковые основания для изделий были напечатаны из него, а трехмерная схема нанесена на основание с помощью технологии аэрозольной печати проводящим материалом AJP (Aerosol Jet Printing), в данном случае — серебряным аэрозолем. На рис. 6 показан пример прототипа корпуса с нанесенной на него рабочей Wi-Fi-антенной, изготовленной в производственном центре «Остек-СМТ» с применением технологии MOVINGlight. Таким образом, MOVINGlight позволяет создавать штучные продукты и прототипы изделий 3D-MID, а именно — пластиковые температуростойкие подложки, что, в свою очередь, открывает новые возможности для радиоэлектронной индустрии.

Рис. 6. Пример прототипа корпуса с нанесенной на него рабочей Wi-Fi-антенной

Технология MOVINGlight стала достойным обновлением уже проверенной технологии SLA. Высокие характеристики новых материалов позволяют использовать 3D-принтер не только для производства высокоточных прототипов из пластиков для конструкторского бюро, но и для оперативного и качественного изготовления оснастки для литья пластиков и вакуумной формовки, а также недорогих пресс-форм для мелкосерийного инжекционного литья пластиков. Кроме того, появилась возможность создавать изделия 3D-MID для радио­электронных производств — например, антенны на корпусах приборов различной формы и сложности.