Стереолитография
Исторически первой появилась стереолитография (Stereo Lithography или SLA). Ее изобрел и запатентовал Чарльз Халл в далеком 1986 году. Позже он основал компанию 3D Systems по производству соответствующего оборудования. Впоследствии к ней присоединилась немецкая EOS GmbH, японские Sony-DMEC и Mitsui Engineering и другие.
Суть технологии заключается в следующем: в рабочем пространстве RP-системы находится фотополимер в жидком состоянии, который при облучении ультрафиолетом застывает в достаточно твердый пластик. Аналогичным образом "устроены" светотвердеющие зубные пломбы. Фотополимер засвечивается либо ультрафиолетовым лазером, либо обычной ультрафиолетовой лампой. Луч лазера фактически поточечно обрабатывает поверхность, формируя отдельные маленькие твердые участки, из которых образуется сечение модели. Затем рабочий стол опускается вместе с полученной частью модели и строится следующий уровень. Так, послойно, и изготавливается физическая модель. Готовый "отпечаток" с точностью до десятых долей миллиметра соответствует цифровой модели, хорошо воспроизводит мелкие детали прототипа и обеспечивает достаточно ровную поверхность изделия. Именно эта технология наиболее широко распространена в настоящее время. Однако стереолитографические установки дороги (цена измеряется в сотнях тыс. долл.), да и набор обрабатываемых материалов ограничен фотополимерами.
Масочная стереолитография
Более скоростной вариант этой технологии был разработан компанией Cubital Inc. Называется она "масочная стереолитография" (Solid Ground Curing или SGC). В качестве рабочего материала используется все тот же фотополимер, только засвечивается сразу вся его поверхность с помощью ультрафиолетовой лампы через фотошаблон. Фотошаблон для каждого слоя печатается на стекле. Для этого используется технология, напоминающая лазерную печать. Очевидно, что такой способ дает значительный прирост производительности за счет одновременного засвечивания всего слоя полимера вместо поточечного сканирования. Материал засвечивается по методу Digital Light Processing или DLP, аналогичному тому, что используется в цифровых проекционных системах (В DLP-проекторах изображение создаётся микроскопически маленькими зеркалами, которые расположены в виде матрицы на полупроводниковом чипе, называемом Digital Micromirror Device (DMD, цифровое микрозеркальное устройство). Каждое такое зеркало представляет собой один пиксель в проецируемом изображении). Разрешение для одного рабочего слоя (сечения) составляет 1280x1024 пикселя при физическом размере пикселя в 150 или 90 микрон. Толщина слоя варьируется от 150 до 90 микрон. На Prefactory (размер данной установки 0,3 м2) можно создавать прототипы размером до 190x152x230 мм со скоростью до 15 мм (в высоту) в час. Управление осуществляется компьютером с операционной системой Linux, связь с внешним миром - через локальную сеть. Это означает, что задание на Prefactory можно посылать как на обычный сетевой принтер.
Селективное лазерное спекание
Селективное лазерное спекание. Альтернативным методу стереолитографии является селективное (выборочное) лазерное спекание (Selective Laser Sintering или SLS). Этот технологический процесс был разработан в 80-х годах прошлого века в Техасском университете в Остине и запатентован в 1989 году выпускником университета Карлом Декардом. На поток дело поставила компания DTM Corp.
Селективное лазерное спекание начинается тогда, когда очень тонкий слой легкоплавкого при нагреве порошка укладывается в рабочую камеру цилиндрической формы. Для спекания порошка, разложенного внутри границы контура рабочей камеры, используют лазер. Лазер повышает температуру порошка до точки плавления, происходит частичное спекание вещества и формирование его в твердую массу. Интенсивность луча изменяется так, чтобы расплавлять порошок только в зонах, ограниченных геометрией будущей конструкции. Как только лазер обработает весь слой порошка в данном сечении, тут же насыпается новый тонкий слой и процесс повторяется. Затем деталь удаляется из зоны обработки и свободный порошок вытряхивается. SLS-детали могут быть получены из порошков с различным размером зерен в зависимости от будущего применения деталей.
Лазерное спекание обеспечивает высокое качество готовых изделий, хотя поверхность модели получается пористой. Преимущество - достаточная для малосерийного производства прочность деталей. Правда, SLS-установка дорога, а скорость воспроизведения цифровой модели составляет всего несколько сантиметров в час, плюс несколько часов на нагревание и остывание установки. Кроме хорошей точности и высокой прочности получаемых объектов, SLS обладает еще и таким достоинством, как возможность получать детали с движущимися частями, например, подвижными петлевыми соединениями.
Для SLS-процессов разработаны специальные материалы, позволяющие изготавливать металлические детали. В этом случае используется не легкоплавкий пластиковый порошок, а микрочастицы стали, покрытые слоем связующего пластика. Спекание пластика происходит как обычно, а затем модель помещается в печь, где пластик выгорает, а образовавшиеся пустоты заливаются бронзой. В результате получается вещество, превосходящее по механическим качествам алюминий и приближающееся по прочности к нержавеющей стали. Оно состоит на 60% из стали и на остальные 40% из бронзы. Фактически, с помощью SLS-технологии можно воспроизводить полноценные металлические предметы произвольной формы. Достоинство заключается еще и в том, что имеются аналогичные материалы с керамической или стеклянной сердцевиной. Из них получаются изделия, устойчивые к высоким температурам и агрессивным химическим веществам. Их минус - дороговизна технологического процесса и материалов.