Получение полимерных изделий с применением лазерных технологий на примере Лондонского университета Метрополитан

В. Н. Серова

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРИМЕРЕ ЛОНДОНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА МЕТРОПОЛИТАН

Ключевые слова: быстрое прототипирование, компьютер, 3D-моделирование, 3D-сканирование, лазерная стереолитография, фотополимеризующиеся композиции, лазерное спекание, университет Метрополитан.

Описаны современные лазерно-компьютерные технологии для изготовления разнообразных изделий из жидких фотополимеризующихся композиций и полимерных порошков, успешно реализуемых на факультете дизайна Лондонского университета Метрополитан.

Keywords: rapid prototyping, computer, 3D-modeling, 3D-scanning, laser stereolithography, photopolymerizating compositions, laser

sintering, University Metropolitan.

The modern laser-computer technologies for the manufacture of various products from liquid photopolymeryzing compositions and polymer powders, successfully implemented at the faculty of design of the London Metropolitan Universi-

ty, are described.

C приобретением нашим вузом нового статуса - национального исследовательского технологического университета - преподаватели кафедр, научная деятельность которых связана с одним из приоритетных направлений развития университета «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (ПНР1), получили прекрасную возможность повышения квалификации в передовых высших школах Европы. Это важно как для установления научного сотрудничества с ведущими зарубежными учеными, так и внедрения в учебный процесс инновационных образовательных технологий.

В работе [1] описаны инновации и некоторые особенности преподавания в высших школах Германии, выявленные в процессе стажировки автора в Немецкой Академии Менеджмента Нижней Саксонии в 2010 году. Повышение квалификации групп ПНР-1 в вузах Великобритании в 2010 и 2011 годах нашло отражение в работах [2, 3], которые посвящены организации процесса обучения студентов, а также в работе [4], где приведены данные о научных исследованиях, выполняемых в английских университетах в области синтеза, переработки и тестирования полимерных материалов.

В настоящей работе, явившейся одним из результатов краткосрочной стажировки автора в университетах и научных центрах Великобритании, акцент сделан на современные лазерные технологии изготовления полимерных изделий, которые связаны с быстрым прототипированием и в настоящее время весьма успешно реализуются на факультете дизайна Лондонского университета Метрополитан.

Университет Метрополитан (London Metropolitan University) был образован в 2002 году путем слияния двух лондонских университетов - London Guildhall University и University of North London. В нем на платной основе обучается около 15 тысяч студентов, 10% из которых — иностранцы. На четырех факультетах университета, где очень популярно заочное обучение, предлагается широкий спектр образовательных программ по общественным, экологическим, гуманитарным и педагогическим наукам, а также естест-

венным наукам, технике, информатике и в бизнес-школе. Очень популярно заочное обучение. Главная тенденция образовательной политики университета Метрополитан - максимальное расширение знаний студентов.

Наша группа ПНР-1 посетила факультет дизайна, центр цифровых технологий, полимерный центр с соответствующими лабораториями, ознакомилась с основными направлениями университета в области дизайна, архитектуры и полимерных материалов.

На факультет дизайна студентов принимают по портфолио, в котором особенно учитывается творческое начало. Студенты здесь с самого первого курса самостоятельно конструируют проекты мебели (это основное направление факультета), музыкальных инструментов, ювелирных и других изделий. Макеты данных изделий, в которых воплощена немалая фантазия, широко представлены в лабораториях факультета.

Студентам в дизайнерском творчестве очень помогают цифровые технологии, без которых, по мнению университетских преподавателей, не возможно их становление как дизайнеров. Так, при обучении прикладному дизайну студенты используют цифровые прототипы - виртуальные опытные образцы готовых изделий. С помощью цифровых технологий электронным способом очень легко сотрудничать со специалистами из других стран. На факультете дизайна установлены прочные деловые связи с университетами Тайваня, Кореи, Испании.

В ходе нашей экскурсии в центре цифровых технологий нам были продемонстрированы установки для лазерной резки, осуществляемой на базе компьютерной модели. Технология лазерной резки и гравировки с высочайшей точностью позволяет наносить рельефные узоры любой сложности (в том числе надписи и логотипы) на поверхности из металла, пластмассы, стекла и других материалов путем термического воздействия лазерного луча.

Наибольший интерес для дизайна в настоящее время представляет так называемое быстрое

прототипирование (RP - Rapid prototyping) - технология, дающая возможность быстрого создания физической модели (прототипа) изделия методом перевода цифровых 3D изображений (от англ. 3-dimensional -три измерения) в твердотельные. (Термин «прототипирование» активно используется в индустрии компьютерных систем). Данная инновационная технология позволяет снизить потребность в изготовлении дорогостоящих опытных образцов, быстро увидеть результат, проверив идею разработки в действии. Она весьма выгодна при изготовлении опытных, единичных, уникальных и эксклюзивных образцов, поскольку не требует наличия специальной оснастки и минимизирует ручной труд.

Быстрое прототипирование, возникшее благодаря появлению трёхмерных (3D) принтеров, получило массовое распространение в промышленно развитых странах. Оно позволяет не только снизить издержки по разработке продукции, но и при необходимости внести изменения уже на этапе ее проектирования. 3D прототипирование используется для материализации проектов, и его главное предназначение - изготовление макетов изделий, позволяющих оценить их достоинства и недостатки, которые не видны на бумаге. Технологии быстрого прототипирования при изготовлении различных макетов позволяют в кратчайший срок получить визуализацию проекта с компьютерной точностью.

В отличие от традиционных технологий (механообработки, литья и т.п.) RP-системы представляют собой установки для послойного аддитивного синтеза моделей. При этом исходным материалом служит трёхмерная твердотельная компьютерная модель изделия, созданная в любой программе 3D САПР (системы автоматизации проектных работ), которая в программном обеспечении RP-установки разбивается на плоские слои одинаковой толщины.

Получение трехмерной компьютерной модели изделия возможно либо путем 3D моделирования с использованием исходной информации о нем (эскизов, чертежей, фотоматериалов), либо 3D сканирования образца - процесса перевода физической формы реального объекта в цифровую форму, если в виде исходной информации предоставляются образцы какой либо продукции. На сегодняшний день трехмерное сканирование относится к ведущим современным компьютерным технологиям и становится мощнейшим инструментом для решения множества инженерных задач на этапе разработки и конструирования изделий, особенно пресс-форм [5]. Лазерный 3D сканер позволяет производить объемное сканирование любых изделий и получать их точные 3D модели. Стремительное развитие цифровых технологий в области моделирования и обратного инжиниринга позволяет бесконтактно создавать самые разнообразные модели, включая ювелирные изделия, дизайном которых также занимаются в Лондонском университете Метрополитан.

На стадии материализации электронных моделей быстрое прототипирование, как правило, связано с полимерными материалами, а именно - с применением таких современных технологий, как лазерная стереолитография, селективное лазерное спекание, наращивание термоплавкой полимерной нити и 3D печати.

Наибольшее распространение из них получили лазерная стереолитография и селективное лазерное спекание. Соответствующие установки, находящиеся в лабораториях факультета дизайна, нашей группе ПНР-1 продемонстрировал главный менеджер, заведующий учебными мастерскими Маркус Бауэр-ман, также как и разнообразные полученные на них изделия.

Фотостереолитография или лазерная стереолитография - это первая технология быстрого прототипирования (SLA - Stereo Lithography Apparatus), получившая широкое признание, поскольку она характеризуется относительно низкой стоимостью и простотой процесса [6]. Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели детали. Термином «литография» (от греч. слов lithos - камень и grapho - пишу, рисую) называют исторически первую технику плоской печати. В ее основе лежит физико-химический принцип, подразумевающий получение оттиска с гладкой поверхности (литографского камня), которая благодаря соответствующей обработке на отдельных участках приобретает свойство принимать специальную литографскую краску [7].

Как идея новой технологии лазерная стереолитография была сформулирована в середине 80-х г.г. 20 века в ряде патентов США [8, 9]. В ее основе лежит явление локального отверждения жидких фо-тополимеризующихся композиций (ФПК) в месте воздействия лазерного излучения УФ-диапазона (используется, как правило, непрерывное излучение гелий-кадмиевого, аргонового и других лазеров). С помощью этой технологии спроектированный на компьютере трёхмерный объект сложной пространственной формы выращивается из жидких олиго-мер-мономерных ФПК (акриловых или эпоксиоли-гомерных) последовательными тонкими слоями толщиной 0,10-0,75 мм. При этом фронт полимеризации распространяется вглубь, перпендикулярно поверхности ФПК. В качестве же олигомеров в лазерной стереолитографии чаще всего используются диметакрилат триэтиленгликоля и олигокарбонат-метакрилат (ТГМ-3 и ОКМ-2 соответственно), до-пированные фотоинициаторами и фотосенсибилизаторами [10].

Двухмерная форма каждого поперечного слоя соответствует площади текущего поперечного сечения изделия и определяется данными предварительного трехмерного проектирования. Фокусированный лазерный луч вычерчивает на поверхности ФПК двухкоординатное изображение поперечного сечения изделия, под действием которого слой ФПК мгновенно отверждается (рис. 1). Первый заполиме-ризованный слой сцепляется с платформой, находящейся ниже поверхности композиции. После его формирования платформа опускается в соответствии с программой для формирования нового слоя. Так происходит послойная фотополимеризация, а синхронное управление сканированием луча позволяет получать наиболее точные и сложные трехмер-

ные изделия. Процесс идет до полного изготовления изделия, после чего платформа извлекается из ФПК, и производится промывка изделия.

Рис. 1 - Схема процесса получения полимерных изделий из ФПК методом лазерной стереолитографии: 1 - лазер; 2 - оптическая система; 3 - зеркало;

4 - компьютер; 5 - резервуар с ФПК; 6 - платформа; 7 - изделие

На изготовление деталей средней сложности в зависимости от ее размеров уходит от 4 до 20 часов. С помощью данной технологии можно получать изделия с максимальными размерами 500х500х500 мм. Позволяя реально оптимизировать дизайнерские идеи, она на 50-80% сокращает полный цикл разработки изделий и даёт возможность мгновенно реагировать на изменения потребностей рынка.

Следует отметить, что рассмотренная выше лазерно-компьютерная технология переживает настоящий бум на западном рынке. Исследования в данном направлении проводятся и в России, в том числе в КНИТУ (см., например, работы [11-13]). К сегодняшнему времени разработаны и действуют несколько экспериментальных и опытных установок в институте проблем лазерных и информационных технологий.

Селективное лазерное спекание (SLS -Selective Laser Sintering) - это процесс, где лазер используется в качестве источника тепла для сплавления специального порошкового материала, из которого в дальнейшем формируется оболочковая форма создаваемого объекта. В данной технологии опытный образец изготавливается из полиамида с наполнителем, в качестве которого иногда используется углеродное волокно, или полистирола. После создания электронной модели изделия специальная компьютерная программа делит электронную модель на слои толщиной не более 0,15 мм.

В соответствии с SLS технологией перед процессом экспозиции и сплавления на опускаемую платформу соответствующей установки с помощью системы покрытия посыпается слой термопластического порошка толщиной 0,1 - 0,2 мм. Вслед за этим свеже-нанесённая порошковая поверхность разогревается почти до точки плавления материала. После этого лазером проходят подлежащий закреплению слой контура детали, чтобы локально сплавить материал. По завершению лазерной экспозиции платформа детали вновь опускается, и процесс повторяется снова с гео-

© В. Н. Серова - д-р хим. наук, проф. каф. технологии полиграфических процессов и кинофотоматериалов КНИТУ, vnserova@rambler.ru.

метрическими данными следующего слоя до тех пор, пока деталь не будет изготовлена полностью. Готовая полимерная деталь извлекается из массива порошка и очищается. Средняя скорость выращивания - 25 мм/час. Таким образом, модель размером 200х200х200 мм выращивается примерно за 10 часов. Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели, которые используются в технологии лазерной стереолитографии.

Литература

1. Серова, В.Н. Инновации и некоторые особенности преподавания в высших школах Германии / В.Н. Серова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 5. - С. 263-266.

2. Бакирова, И.Н. Стажировка в Великобритании. Ч. 1. Организация обучения в университетах / И.Н. Бакирова //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 4. - С. 245-250.

3. Бакирова, И.Н. Стажировка в Великобритании. Ч. 2. Научные исследования университетов в области полимерных материалов /И.Н. Бакирова //Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 5. - С. 74-80.

4. Исхакова, Д.Д. Система подготовки специалистов в некоторых университетах Великобритании / Д.Д. Исхакова, Р.Р. Спиридонова, Д.И. Фазылова, Г.Н. Нагуманова / Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 24. - С. 269-272.

5. Ковалев, А.С. Новые технологии компьютерной графики объемного 3D моделирования и их практическая реализация / А.С. Ковалев, О.А. Шалимова, Н.В. Польшакова //Успехи современного естествознания. - 2010. - № 10 -С. 85-88.

6. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. - М.: Физ-матлит, 2009. - 664 с.

7. Стефанов, С.И. Путеводитель в мире печатных технологий / С.И. Стефанов. - М.: ИФ «УНИСЕРВ», 2001. - 224 с.

8. Kodama, H. Automatic method for fabricating a threedimensional plastic model with photo-hardening polymer /H. Kodama // Rev. Sci. Instrum. - 1981. - P. 1770-1773.

9. Горюшкин, В.И. Основы гибкого производства деталей машин и приборов / В. И. Горюшкин. - Минск: Наука и техника, 1984. - 222 с.

10. Серова, В.Н. Полимерные оптические материалы /

B.Н. Серова. - СПб.: Научные основы и технологии, 2011. - 382 с.

11. Евсеев, А.В. Послойное изготовление деталей из жидких фотополимеризующихся композиций излучением ХеСГлазера / А.В. Евсеев, М.А. Марков // Квантовая электроника. - 1994. - Т. 21. - № 5. - С. 495-498.

12. Толочко, Н.К. Спектральные и кинетические исследования фотополимеризации жидких олигомерных композиций / Н.К. Толочко, В.Г. Лучина, И.Ю. Сычев и др. // Журн. прикл. спектроскопии. - 1994. - Т. 61. - № 3-4. - С. 274-277.

13. Ефремова, А.А. Влияние типа фотоинициирующего соединения на процесс полимеризации, стимулированный УФ лазерным излучением /А.А. Ефремова, Р.М. Гарипов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 15, № 3. -

C. 85-88.