Приборы и техника эксперимента, 2020, № 2, стр. 153-155

Селективное лазерное спекание (с.л.с.) является сегодня одной из основных и хорошо развитых технологий аддитивного производства. Она основана на послойном лазерно-индуцированном спекании порошковых материалов различных типов (металлы, керамика, полимеры) [1]. Современные технологические комплексы с.л.с. позволяют с высокой производительностью и достаточно хорошим (порядка 100 мкм) пространственным разрешением изготавливать трехмерные объекты различной архитектоники по их 3D компьютерным моделям [2]. В то же время потенциальные возможности технологии с.л.с. в случае полимерных материалов реализованы далеко не в полной мере. Основными причинами этого являются: ограниченность выбора подходящих для этого полимеров (главным образом, полиамидов и полистиролов, а также их композитов), неидеальная (отличная от сферической) форма и морфология поверхности частиц их мелкодисперных (характерный диаметр порядка 40–80 мкм) порошков с широким распределением по размерам, а также их реологические и оптические свойства.

Для дальнейшего развития технологии с.л.с., исследования возможности применения новых материалов, отработки параметров процесса с.л.с., в частности, для достижения высокого пространственного разрешения (порядка 10 мкм) необходимо иметь возможность экспериментировать с малыми объемами исходных материалов, с высокой точностью контролируя параметры процесса их лазерного спекания. Это нельзя сделать, используя существующие коммерческие установки с.л.с., так как они предназначены для работы с большими объемами стандартизированных материалов при заданных параметрах, что не позволяет достичь желаемых результатов. Для решения этой проблемы нами разработана, изготовлена и отлажена лабораторная установка, позволяющая проводить исследование процессов селективного лазерного спекания различных новых полимерных материалов микронной и субмикронной дисперсности.

Принцип действия установки основан на формировании трехмерного объекта путем послойного лазерно-индуцированного сплавления мелкодисперсных (с характерным диаметром от 0.3 до 5 мкм) полимерных частиц (рис. 1). Тонкий слой исходного порошка (толщина регулируется в диапазоне 5–100 мкм) переносится с загрузочной поверхности на рабочую при помощи специализированного устройства 1. В слое порошка осуществляется локальное сплавление частиц сфокусированным лазерным пучком по траектории, соответствующей определенному срезу цифровой модели 2. После завершения печати одного слоя, наносится следующий слой, и цикл повторяется необходимое число раз. Такой подход позволяет получить трехмерную структуру практически любой геометрии.

Рис. 1.

Принципиальная схема работы 3D принтера для порошковых материалов. 1 – формирование слоя порошка; 2 – процесс спекания порошка излучением лазера по заданной траектории.

Схема модуля формирования порошковых слоев показана на рис. 2а. Его основой является блок 3, выполненный из коррозионно-стойкой стали и содержащий две цилиндрические камеры с поршнями 4. Каждый поршень имеет диаметр 36 мм и снабжен индивидуальным шаговым приводом 10, обеспечивающим максимальное перемещение по вертикальной оси (оси Z) 30 мм с минимальным шагом 5 мкм. Контактирующие поверхности рабочих камер и поршней имеют чистоту обработки поверхности 10 класса и притерты с зазором, не превышающим 5 мкм. Это обеспечивает перемещение полимерных частиц микронного размера без потерь, а также позволяет использовать в качестве исходных материалов их водные и спиртовые суспензии. Одна из камер выполняет функции резервуара и дозирующего устройства, а поршень второй камеры является рабочей поверхностью для процесса с.л.с., шаг перемещения которой задает требуемую толщину порошкового слоя. Перенос порошка и формирование однородного по толщине и плотного слоя на рабочей поверхности осуществляются специализированным устройством, состоящим из электрически изолированного корпуса 6, на котором закреплен механический или пьезоэлектрический активатор. Устройство имеет рабочий элемент – полированный вал 9 диаметром 8 мм, выполненный из нержавеющей стали марки 08Х18Н10, который вращается с необходимой скоростью вокруг своей оси. Для подавления поверхностных электростатических эффектов (приводящих к агломерации и налипанию полимерных частиц на разравнивающие поверхности) компоненты разравнивающего устройства (6, 8, 9), блока с поршнями (3, 4, 6) электрически изолированы от корпуса остальной установки и могут быть заземлены либо на них может быть подан потенциал, изменяемый в пределах ±36 В. Управление электромеханическими приводами установки осуществляется микроконтроллером Atmel ATMega 2560 с электронной обвязкой, аналогичной описанной нами ранее в [3] и обеспечивающей функционирование четырех униполярных шаговых двигателей с номинальными рабочими токами до 1.8 А.

Рис. 2.

а – схема модуля для формирования слоев тонкодисперсных порошков в установках селективного лазерного спекания; б – фотография модуля развертки лазерного излучения. 1 – рама; 2 – корпус привода поршней; 3 – блок рабочих камер; 4 – поршни; 5 – блок питания установки; 6 – корпус разравнивающего устройства; 7 – крепление модуля развертки лазерного излучения (гальваносканера); 8 – механический или пьезоэлектрический активатор разравнивающего устройства; 9 – рабочий элемент разравнивающего устройства; 10 – шаговые приводы; 11 – микроконтроллер; 12 – лазер; 13 – зеркала; 14 – гальваносканер; 15 – объектив; 16 – рабочий слой порошка; 17 – управляющий компьютер.

Фотография модуля развертки лазерного излучения представлена на рис. 2б. Для спекания использовалось непрерывное излучение DPSS лазера MDL-III-405 (Changchun New Industries Optoelectronics Tech. Co., Ltd, P.R. China) 12 с длиной волны 405 нм. Лазерное излучение фокусировалось на рабочую поверхность спекаемого порошкового слоя с помощью зеркал 13 и однозеркальной гальваносканирующей системы LScanXY (Атеко, Россия) 14 с F-theta объективом TSL-405-29-55Q (Ronar-Smith, Сингапур) 15. Оптическая система позволяет собирать лазерное излучение мощностью до 100 мВт в пятно диаметром от 10 мкм, а также перемещать его по необходимой траектории по поверхности сформированного слоя 16 со скоростью от 0.1 до 100 мм/с.

Автоматическое управление лазерной частью установки обеспечивается с помощью компьютера 17 с предустановленным программным обеспечением (п.о.) LDesigner SLS (Атеко-ТМ, Россия), а управление ее механической частью – с помощью оригинального п.о. собственной разработки. Используемое п.о. обеспечивает подготовку управляющей программы, с помощью которой установка реализует процесс с.л.с. требуемого объекта по его компьютерной 3D модели.

Для удобства работы оператора и контроля поведения микрочастиц полимера в ходе формирования новых порошковых слоев в оптическом тракте установки также может быть размещена микрокамера, оборудованная телескопическим объективом. С ее помощью можно осуществлять визуальный контроль процесса спекания полимерных частиц в зоне лазерного воздействия и изучать его зависимость от параметров спекания (мощности лазерного излучения, скорости его сканирования и др.). Примеры модельных структур, сформированных с помощью описанной установки методом с.л.с. из трехмикронных сферических частиц полиметилметакрилата, синтезированных с использованием сверхкритического диоксида углерода [4], показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Фотографии c оптического (а) и со сканирующего электронного (б) микроскопов полученных структур. Глубина структуры 80 мкм.