Сто литров в час: американские ученые изобрели скоростной стереолитографический 3D-принтер

news3dtoday
Идет загрузка
Загрузка
22.10.2019
5454
39
Новости

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

9

Все мы знаем, что стереолитографические принтеры печатают очень точно, но очень-очень медленно. До боли. Вот только кто-то забыл доложить от этом ученым Северо-Западного университета, чей фотополимерный 3D-принтер выращивает детали со скоростью почти полметра в час по оси Z. Рассказываем, как это у них получилось.

Есть три метода стереолитографической 3D-печати, отличающихся способами отверждения фотополимеров — это либо лазерные системы (SLA), либо использующие модули засветки в виде цифровых проекторов (DLP-SLA) или жидкокристаллических матриц со светодиодной подсветкой (LCD-SLA). У каждого из них есть свои плюсы и минусы в плане точности, производительности и стоимости, но речь пойдет о другом. А чем, собственно, ограничивается производительность?

Если отбросить лазерные системы, где слои не засвечиваются целиком, а вычерчиваются точка за точкой, то относительно низкая скорость стереолитографических систем связана с температурой и давлением. Нагревание выше рекомендуемых порогов вредит не только оборудованию, но и самому расходному материалу, то есть фотополимерным смолам. При сильных перепадах температур отвержденные изделия могут растрескаться, а если совсем перебрать, то фотополимер может даже вспыхнуть. Принято считать, что источником тепла служат светодиодные модули подсветки, но это не совсем так. Дело в том, что сама фотополимеризация — это экзотермический процесс, то есть выделяющий тепло. Другими словами, чем выше интенсивность облучения, тем выше скорость полимеризации, а это в свою очередь приводит к увеличению объема выделяемого тепла и необходимости снижения темпа печати во избежание порчи моделей или оборудования. Замкнутый круг.

Как его разорвать? Решение напрашивается само собой — принудительное охлаждение. Но и тут есть нюанс. Предположим, что вам удастся охладить материал и нарастить скорость построения по Z. Тогда возникнет другая проблема — давление, а точнее донное притяжение. При подъеме платформы после печати очередного слоя на модель действует вакуумная сила, и чем быстрее поднимается платформа и чем больше площадь изделия, тем выше вероятность разрыва свежих, еще не окрепших слоев. Компания Carbon достаточно элегантно решила эту проблему технологией CLIP (Continuous Liquid Interface Production или «Беспрерывное производство на жидкой прослойке»). Суть проста: фотополимеры, как правило, становятся инертными под воздействием кислорода, так что если сделать дно кюветы газопроницаемым, донный слой смолы не будет отвердевать, а значит между активным слоем и дном будет достаточный зазор для снижения вакуумной силы до приемлемого уровня. Технология проверена на практике и используется в серийных, коммерчески доступных 3D-принтерах Carbon. В отдельных случаях скорость печати по Z можно увеличить на два порядка. Разогнать еще быстрее не получается, ибо как с самого начала указывал соучредитель Carbon Джозеф ДеСимон, остается проблема выделяемого тепла, решить которую инженерам Carbon так и не удалось.

Ну так а что сложного, скажете вы? Генерируем инертный слой и добавляем принудительное охлаждение. Так-то оно так, но эти два решения на первый взгляд кажутся несовместимыми. Да, можно добавить охлаждающий контур под кюветой (как, например, на 3D-принтерах Uniz Slash), но как тогда насыщать донный слой кислородом? Да и эффективность охлаждения активного фотополимера будет невысока, так как большая часть КПД будет расходоваться именно на донный, «мертвый» слой. Если же установить контур по периметру, то охлаждение будет неравномерным от краев к центру, что как минимум приведет к браку в процессе печати. А что если запихнуть охлаждающую жидкость прямо в кювету?  

На том и остановились. Вместо насыщенного кислородом донного слоя в экспериментальном 3D-принтере используется подвижный охлаждающий слой фторированного масла с принудительной циркуляцией. В каком-то смысле тут разработчики вернулись к оригинальной концепции крестного отца 3D-печати и основателя компании 3D Systems Чарльза Халла, предлагавшего использовать этиленгликоль или тяжелую воду. По бокам кюветы расположены входные и выходные коллекторы, обеспечивающие равномерный ламинарный сдвиг охлаждающего слоя, то есть без завихрений или смешивания с фотополимером, что важно еще и в плане предотвращения оптических искажений. В итоге получаем эффективное контактное охлаждение фотополимера по всей площади, плюс необходимый зазор для быстрого и непрерывного подъема платформы с печатаемой моделью. Непрерывная печать означает повышенную изотропность, то есть вместо слойки получается более-менее аналог литого изделия, а это плюс к прочности. Ко всему прочему, циркулирующую жидкость можно фильтровать, чтобы удалять образующиеся в результате паразитной засветки микрочастицы, а это положительно влияет на качество печати, предотвращая замутнение фотополимера. Остается только вкрутить лампочки поярче и наслаждаться результатами.

А результаты таковы: в ходе экспериментов ученым удалось добиться скорости по оси Z порядка 430 мм в час. Обратите внимание на иллюстрацию выше: здесь продемонстрированы результаты 3D-печати на неподвижном инертном слое (А), инертном слое с принудительной циркуляцией, но без активного охлаждения (B) и инертном слое с принудительной циркуляцией и активным охлаждением (С). Пунктирными линиями в верхнем ряду обозначен разлом модели из-за перегрева. Во втором случае результат намного лучше, но, как отмечают исследователи, со временем эффективность процесса понизилась из-за нагревания циркулирующего масла. А вот третий результат близок к идеальному — здесь температура на границе соприкосновения охлаждающего и активного слоя не превышала 120ºС, несмотря на бешеный темп печати. Деталь размером 380x610x760 мм из полиуретан-акрилата ученым удалось вырастить всего за один час и сорок пять минут, то есть с производительностью на уровне заветных ста литров в час. Какой именно тип засветки используется в экспериментальном 3D-принтере — не указывается, но ясно, что речь идет о проекторной или ЖК-масочной системе. Размер пикселя составляет 100 микрон, позволяя получать детализацию приемлемого качества на уровне 300 мкм.

Технология получила название HARP (High-Area Rapid Printing). Ознакомиться с докладом научной команды можно по этой ссылке.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

9
Комментарии к статье

Комментарии

22.10.2019 в 14:11
0

Интересно как им удалось добиться того, чтобы поток масла не уносил с собой и слой фотополимера? И чтобы платформа при подъеме не поднимала за собой слой масла? Да и вообще тут куча вопросов "как" :)

22.10.2019 в 15:45
0

Несмешиваемые жидкости разной плотности? Как масло с водой на сковородке.

22.10.2019 в 15:55
1

Не все так просто... нужно еще и держать постоянный ровный слой (иначе невозможно выдержать равномерный слой при печати - в одной месте больше, в другом меньше).

Попробуйте налить масло на воду и перекачивать воду так, чтобы слой "вода-масло" был неподвижен, и при этом еще откачивать масло сверху...

22.10.2019 в 16:05
0

Ну это-то само собой, но все равно верхний слой текущего масла должен увлекать за собой лежащий на нем слой фотополимера. Я бы еще мог понять если бы на время экспозиции слоя они останавливали перекачку масла, но речь идет о непрерывном выращивании.

22.10.2019 в 16:11
0

Там сказано о ламинарном слое (см. картинку с профилем скорости), 0.6мм/с на границе фаз, значит  сопротивление на пограничном слое невелико, значит, значительного уноса верхней жидкости не должно быть. Спецы по гидродинамике могут меня поправить, тут, конечно, быть бы знакомым с практикой, но из теории при определенных условиях не считаю это невозможным. Возможно, часть смолы тоже утекает, хз.

[...] обеспечивающие равномерный ламинарный сдвиг охлаждающего слоя, то есть без завихрений или смешивания с фотополимером [...]

22.10.2019 в 16:22
0

Там сказано о ламинарном слое

Ну и что? Ламинарный - значит ровный, равномерный. Это не означает, что соседняя жидкость с другой плоскостью будет совершенно неподвижна относительно потока :)

22.10.2019 в 16:27
0

Ламинарный - это значит с определенным соотношением скорости (квадрата) и условно ширины потока и свойствами жидкости, т.е. 

то есть без завихрений или смешивания с фотополимером

а не абстрактно

ровный, равномерный

А также ламинарный режим течения напрямую влияет на состояние пограничного слоя, на сопротивление, а, следственно, и "сцепление" с верхней жидкостью, за счет которого она и уносится нижним потоком.

Я не то, чтобы защищаю авторов и все такое, нужно смотреть оригинал, делать опыты и все подобное, но вот так сходу говорить "вранье, НИРАБОТАЕТ" ну как-то не по-инженерному будет.

22.10.2019 в 16:37
0

"Ламина́рное тече́ние (лат. lāmina — «пластинка») — течение, при котором жидкость или газ перемещаются слоями без перемешивания и пульсаций (то есть без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).". Ну и найдите принципиальные отличия от более короткого "ровное, равномерное" :)

но вот так сходу говорить "вранье, НИРАБОТАЕТ" ну как-то не по-инженерному будет.

А где я говорил такое?

22.10.2019 в 16:54
0

А где я говорил такое?

Каюсь, видимо, я слишком утрировал сомнения в ваших комментариях. 

Ну и найдите принципиальные отличия от более короткого "ровное, равномерное"

Вопрос не в лингвистике, вопрос в законах, описываемых разными уравнениями в зависимости от режима течения, и том, что ламинарный режим теоретически позволяет провернуть описанное в статье, как минимум, в каких-то определенных условиях (например, как пишут ниже, для ажурных структур). Был бы Ансис, можно было бы загнать задачку, да посмотреть, как оно там все сдвигаться будет, и предметно разговаривать.

22.10.2019 в 16:58
0

Был бы Ансис, можно было бы загнать задачку, да посмотреть, как оно там все сдвигаться будет, и предметно разговаривать.

Для этого еще нужно точно знать параметры жидкостей и системы в целом :)

22.10.2019 в 17:02
0

Ну это уже гораздо проще. Данные по фотополимерам наверняка есть у производителя, по остальной химии можно поискать. Имея инструмент, можно поперебирать параметры, а там, на основе первых итераций, прикинуть механизм переноса и все остальное. Не прям тривиальная задача, конечно, но и не невозможная.

22.10.2019 в 17:08
0

Да вот что-то производители как-то неохотно выкладывают подробные параметры своих полимеров :)

Да, задача решаемая, конечно, но корректное моделирование всей системы - задача достаточно сложная :)

22.10.2019 в 16:13
2

Много возился в свое время с печатью на слое жидкости. Не очень верится в эффективность этого метода. Во всяком случае для печати слоев большой площади. Обратите внимание, что во всех тестах ажурные конструкции, как и во всех роликах про CLIP кстати.

22.10.2019 в 16:21
0

Архивное фото: "шестерня", выращенная на глицериновом сиропе :)


22.10.2019 в 16:33
0

Although we explored other immiscible liquid systems, including densified water and glycerin, neither of these aqueous options produced the same quality of dewetting behavior with the emerging 3D printed part; both resulted in lower-quality print production

У них на глицерине тоже не очень вышло.

22.10.2019 в 16:29
1

тут то по моему просто. Быстрый подьем предполагает быстрое замещение отвержденного полимера свежим.под плоскостью это невозможно - скорость обновления от края к центру отличаться будет на порядок. И эффект присоски будет ломать всю эту красоту с нижним жидким слоем.а в ажурных - выглядит красиво, чем вырастить кирпич - но вот например выращивание тонких трубок как и выращивание монолитного кирпича во всю платформу - много может сказать о принтере.

23.10.2019 в 10:16
0

предположу, что мелкая металлическая сетка (благо такие есть, с нужным разрешением) решит проблему разделения слоёв... Тем более это 100мкм, даже на али их  полно 50-100мкм;))

23.10.2019 в 10:27
0

А как защитить металлическую сетку от прижаривания к полимеру? Или наоборот - как полимер защитить от прижаривания к металлической сетке?

23.10.2019 в 10:28
0

очевидно, что сетка будет охлаждаться вместе с охлаждающим слоем, не?)))

23.10.2019 в 10:40
0

вопрос не в охлаждении, а в адгезии.

У фотополимера отличная адгезия ко всем материалам, даже от тефлона приходится отдирать с хлопком... на этом портале хватает фотографий разорванных при печати деталей (половина - на платформе, половина - на пленке).

При полимеризации фотополимер просто прижариться к сетке и все... 

Ну и ламинарное течение в случае наличия сетки достичь будет куда сложнее - сетка- неплохой турбуляризатор потока.

23.10.2019 в 10:48
0

Это вы рассматриваете уже отвердевший полимер, если полимер в процессе полимеризации, то он ни к чему ещё не липнет, т.е. нужно подобрать выше скорость... Это предположение вроде как сходится с описанным в статье, что скорость увеличилась и стало более литеподобным.  

Сетка не будет турбулентна, если не пускать поток непосредственно по ней, а пускать давление чуть ниже. Даже в природе примеров полно.

Хотя если подумать, то турбулентность в охлаждающем слое вообще не проблема...

23.10.2019 в 10:55
0

если полимер в процессе полимеризации, то он ни к чему ещё не липнет,

????

Либо он ни к чему не липнет, в том числе и к платформе, отпечатанной части модели и плавает медузой в ванне (такое бывает - медузы при печати случаются и сильно мешают печати).

Либо он уже липнет, и к металлу - сильнее, чем к уже напечатанной части модели.

Засветка идет снизу - со стороны раздела фаз. И полимеризоваться он начнет снизу. Вначале прижариться к сетке, а потом уже дорастет до отпечатанной части модели.

23.10.2019 в 11:12
0

Почему он прижарится к сетке? если охлаждающая жидкость на сетке?

МОДЕЛЬ

ПОЛИМЕР

ОХЛАДИТЕЛЬ + СЕТКА

ОХЛАДИТЕЛЬ ЦИРКУЛЯЦИЯ

При подъеме модели вгоняем полимер под неё, это не даст потянуть охладитель из сетки за собой

23.10.2019 в 11:25
0

Если охлаждающая жидкость выше сетки - смысл сетки исчезает, - только лишний элемент, препятствующий работе.

Если сетка на границе раздела жидкостей (снизу - охлаждающая жидкость, сверху - фотополимер) - то сверху к ней будет прижариваться фотополимер, т.к. полимеризация идет снизу - от источника света.

23.10.2019 в 11:33
0

как же он сейчас к стеклу то не прижаривается? что-то у вас не сходится...

Кстати пришлось посмотреть про технологию CLIP у них на сайте, там ничего об охлаждающей жидкости нет, просто вгоняют полимер под модель и кислородопроницаемое "стекло" ускоряет процесс перемещения... Охлаждение свежим полимером... Что-то не понятно в статье... перечитал ещё раз, но запутано всё равно)))


Ага, походу death zone это насыщенный кислородом полимер, типа воздушной подушки... Интересно там компрессор нагнетает давление или за счёт постоянного вытгивания и подачи полимера держится эта зона...


На счёт сетки - это не лишний элемент, она не даёт потоку охладителя перемешаться с полимером. т.е. ограничивает возможную турбулентность только слоем с охлаждающей жидкостью. 

23.10.2019 в 11:48
0

У меня-то все сходится. Это в описании технологий ничего не сходится.

И это вполне объяснимо - смысл раскрывать секреты? Реклама-рекламой, а ноу-хау должны остаться непонятыми для конкурентов.

Характерно, что технология CLIP пока еще никем не повторена, несмотря на то, что появилась в 2015 году...

Если бы было все так просто - взяли бы нужное "стекло" (его кто-то же производит?) и начали печатать по всему миру в несколько раз быстрее.

Вероятнее всего сказки про насыщение кислородом - не более, чем способ отвлечь внимания от реальных секретов технологии.

23.10.2019 в 14:47
0

Характерно, что технология CLIP пока еще никем не повторена, несмотря на то, что появилась в 2015 году... Если бы было все так просто - взяли бы нужное "стекло" (его кто-то же производит?) и начали печатать по всему миру в несколько раз быстрее. Вероятнее всего сказки про насыщение кислородом - не более, чем способ отвлечь внимания от реальных секретов технологии.

Похоже заменили FEP плёнку на PU мембрану. Почему другие не повторили? Так у большинства и так работает, зачем пока чесаться?))) Тем более патентик имеется... 

24.10.2019 в 07:59
0

Если вам кажется все таким простым - замените...

А у большинства так НЕ работает (непрерывная печать), а работает совсем по-другому - печать - отрыв - подъем - опускание - печать. Разница в скорости за счет отсутствия подъема-опускания - в несколько раз.

23.10.2019 в 12:20
0

Если охлаждающая жидкость выше сетки - смысл сетки исчезает, - только лишний элемент, препятствующий работе.
Если сетка на границе раздела жидкостей (снизу - охлаждающая жидкость, сверху - фотополимер) - то сверху к ней будет прижариваться фотополимер, т.к. полимеризация идет снизу - от источника света.

т.е вариант когда охлаждающая жидкость внутри ячеек сетки вы не рассматривает? 

Давайте рассмотрим физику процесса:

луч попадает на фотополимер - он застывает, круто но луч чего? Правильно света... свет через металл проходит? Нет, значит полимер за границей металла что? Не полимеризуется, значит что? Нечему прилипать... Вроде как-то так... Вы что-то не так рассматриваете... как-то упрощенно...

Если совместить ячейки сетки и пиксели излучателя, то получится что надо...

23.10.2019 в 12:29
0

1. Не забывайте о паразитной засветке и паразитной полимеризации. Свет рассеивается в полимере в бок, да и сам полимер застывает немного больше, чем освещенная область.

2. Если мы возьмем "резкий" полимер, который в бок не застывает ни на 1 мкм - то в этом случае у нас будут только дополнительные траблы - вместо модели отпечатается ряд вертикальных столбиков - где ячейки - пропечаталось, а где нет ячеек (проволока) - там не пропечаталось

23.10.2019 в 12:42
0

паразитная засветка никуда не денется. законы физики мы не обходим, она просто будет выше проволоки, эээ дифракция?

23.10.2019 в 10:41
0

да кстати про плоскость, если полимер тоже прогонять под давлением, как и охлаждающую жидкость, то замена будет довольно быстрая и ничего не сломает, "эффект скальпеля" будет...

22.10.2019 в 16:36
0

используется подвижный охлаждающий слой фторированного масла с принудительной циркуляцией.

интересно, почему именно фторированное масло (для тяжести?) когда вполне (и даже лучше для оптики) былобы силиконовое? Оно и по теплоемкости прекрасно (применяется для контактного погружного охлаждения процессоров) и инертно и прозрачно.

22.10.2019 в 16:37
0

Силикон плавает в полимере, а надо наоборот

22.10.2019 в 16:54
0

а какова плотность данного полимера в г\см3 ?

22.10.2019 в 16:59
0

Обычно фотополимеры имеют плотность 1.0-1.4 г/куб.см

22.10.2019 в 17:00
0

впрочем, сам нашел:

https://3dtoday.ru/wiki/smola_3dsystems/

примерно 1.08 г\см3

Тогда для задачи можно было бы пробовать SF6, там 1.33.

У меня давно есть мысля, если это же вещество в виде газа (оно тяжелее воздуха) попробовать вместо инертного газа при SLM для металлов. Теоретически, тяжелый газ проще и удобнее, + он будет гасить микровызрывы газа при спекании. (об этой проблеме при спекании порошков я читал). 

И попробовал бы, да нету под рукой принтера по металлу)))

22.10.2019 в 17:04
0

впрочем, может они и без моих советов применили шестифтористую серу, просто тут перевод как "фторированное масло".  По идее надо оригинал статьи смотреть.

23.10.2019 в 10:34
0

фторированное масло - fluorinated oil - это фторуглероды с количеством атомов углерода от 10 и более.

Шестифтористая сера - sulphur hexafluoride - это иное, ошибки в переводе с английского быть  не может.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Калибровка экструдера Titan на принтере Flsun QQ-S

Пожалел, что нет фотополимерника

Пятиметровый шатер на 3D-принтере

Снижение экструдии на верхних слоях сплошного заполнения

Новый 3D сканер RangeVision NEO. Обзор от 3Dtool. Оптический 3D сканер 2019 года.

3D печать и полиграфические услуги: как сэкономить на дорогостоящих и недолговечных деталях