Деталей и строительных конструкций

Детали машин, приборов, бытовой техники и др. можно изготовить по двум принципиально отличающимся технологиям:

1. «Отнимающим», когда от заготовки (слитка, камня, бревна, …) механическим, химическим или другим способом убирают «излишки» материала. В результате скульптор из глыбы мрамора получает скульптуру, токарь из шестигранного прутка изготовляет гайку, а столяр из бревна делает скамейку.

2. «Прибавляющим», когда литьем расплавленного металла или пластмассы, прессованием и спеканием порошков и др. методами получают готовое изделие.

«Прибавляющие» технологии более производительны и обеспечивают более полное использование материала по сравнению с «отнимающими» технологиями, и во многих случаях позволяют получать изделия, обладающие специфическими (полезными) свойствами.

На первом этапе развития техники первые «отнимающие» технологии были, в основном, ручного исполнения, а позднее, с развитием электроники управление технологическими процессами стало более эффективным - автоматическим. Так, полвека назад в металлообработке стали применяться токарные и шлифовальные станки с числовым программным управлением (ЧПУ), позволившие резко повысить производительность труда и качество продукции.

Современный принтер производит на листе бумаги весьма сложные по форме и цвету рисунки в виде очень многих точек на единицу площади поверхности.

Любую деталь и строительную конструкцию разрезов  можно рассматривать в виде многих плоскостей, в каждой из которых есть свой «плоский» рисунок в виде различных «точек» материальных частиц.

Фаббер – это «трехмерный принтер». Для его работы необходимо иметь компьютерную трехмерную модель изделия, которая программой «разрезается» на слои толщиной 0,012…0,25 мм. Фаббер, как трехмерный принтер, начинает «печатать» эти поперечные сечения друг за другом, двигаясь снизу вверх. В результате такого «печатания» получается необходимое изделие.

Фабберная технология напоминает кладку печником печи из кирпичей. Имеются для каждого ряда послойные чертежи укладки кирпичей. В итоге после укладки 20..40 рядов кирпичей получается печка, имеющий топку, каналы дымохода, трубу и другие элементы.

Принципом перспективного способа изготовления деталей является «трехмерная печать». Основанный на принципе трехмерной печати фабрикатор, т.е. устройство для изготовления деталей, состоит из камеры синтеза, лазерного блока и компьютера, который по трёхмерной цифровой модели объекта строит набор его послойных сечений и управляет механическими узлами фабрикатора.

 Пока процесс изготовления деталей фабберами весьма длителен, измеряется часами и днями. Так, высокопроизводительный цветной трехмерный принтер Z450 строит модели со скоростью 2…4 слоя в минуту, поэтому на изделие максимального размера 200 x 250 x 200 мм уходит один рабочий день. Разрешение печати при этом составляет 300 x 450 точек на один дюйм (10…18 точек на один миллиметр).

Синтез деталей и строительных конструкций может выполняться различными методами:

- использование светоотвердеваемой жидкости (рис 10.2);

-изготовление деталей спеканием, плавлением или склеиванием порошков (рис 10.3);

- расплавлением нити (рис. 10.4) с помощью экструдера и осаждением вещества нити в нужных точках.

-изготовлением «бетонных точек» нанесением на приготовленной смеси песка с цементом воды с добавлением жидкого стекла.

Камера (рис.10.2) заполняется жидким светоотражающим полимером (аналогичным зубным пломбам). Лазерный луч сканирует поверхность полимера в соответствии с текущим сечением модели, в результате жидкость переходит из жидкого в твёрдое состояние. После сканирования первого слоя элеватор опускается на доли миллиметра и выполняется сканирование второго слоя. Процесс повторяется в такой же последовательности и по другим сечениям (3,4,5 и т.д.).

По второй технологии (рис.10.3) деталь изготовляется из порошка. Картридж насыпает на горизонтальную платформу тонкий слой мелкодисперсного порошка, а мощный лазер сканирует соответствующее сечение спеканием частиц. Затем из картриджа укладывается следующий слой порошка и проводится его сканирование и спекание в соответствии с моделью детали. В качестве порошков используют полипропилен, нейлон, керамику, металл. В некоторых конструкциях для спекания используют пучок электронов или плазмы.

Для примера фаббер немецкой фирмы EOS работает с порошками и инструментальной сталью со скоростью формирования детали от 1 до 10 см³ в час размером до 250×250×215 мм. Погрешность изготовления детали не превышает 0,05 мм, а шероховатость поверхности менее 9 мкм. При использовании лазерного спекания образуется более монолитная и более прочная структура.

Имеются установки для синтеза объектов размером 3000×3000×900 мм, ведутся работы по созданию более крупных деталей (6000×2400×2700 мм). На установках фирмы AeroMet создаются тонкостенные (до 0,5 мм) крупногабаритные детали из титановых сплавов, рения и тантала для авиационной и космической отраслей (сопла, части двигательных гондол).

Сплавляющее экструдерное осаждение (рис.10.4) было изобретено в 1989 году. Пластмассовая или эластомерная нить сечением 0,05 мм и более подаётся через экструдер, где нагревается до расплавления, осаждается на поверхности и мгновенно затвердевает. Управляемое компьютером движения экструдера приводит к построчному формированию трехмерного объекта. Имеются технологии создания изделий формированием нескольких цветных материалов (белого, синего, зелёного,..).

Фабберы используются как в промышленности для изготовления деталей так и, в основном, очень эффективного в конструкторских организациях для создания моделей.

В системе, изобретенной Берохом Хошкевисон, в качестве расходного материала используется готовый бетон. Эта система напоминает не принтер, а графопостроитель, в котором головка «пишет» бетоном по стене сооружаемого здания, наращивая его по высоте слой за слоем. В перспективе возможно создание полномасштабного робота на базе козлового крана.

Второй вариант создания стен домов в будущем это нанесение бетонной смеси (песок и цемент - 3:1) непосредственно в необходимой точке,  на слои которой по команде компьютера наносятся капли воды с добавлением жидкого стекла.

В настоящее время в мире уже тысячи компаний используют фабберы. Для примера, в американском истребителе F-18 насчитывается более 80 деталей, а в космической международной станции более 200 деталей, изготовленных фабберами.

В перспективе предполагается использования фабберов в домашних условиях для изготовления бытовых предметов по моделям, взятым из глобальной сети интернета.

 

Лазерные технологии

Лазеры – это оптические квантовые генераторы. Они различаются:

- рабочей средой (газы, жидкости, твердые диэлектрики);

- режимом работы (импульсного  или непрерывного действия);

- способом «накачки»;

- мощностью.

С помощью лазера можно нагреть плазму до очень высоких температур (до 20·10⁶ К).

Мощным и узко направленным лазерным лучом можно:

- эффективно резать листовой материал;

- сваривать материалы;

- проводить термообработку деталей;

- выполнять наплавку порошков.

Лазером можно быстро и качественно разрезать многие материалы (табл. 10.2). Причем рабочее поле может быть размером до 2,5 × 6 м.

Таблица 10.2.