Vacuum casting – część 1. Druk 3D modeli prototypowych

          Technologia druku 3D LCD posiada szereg zalet umożliwiających wykorzystanie jej do tworzenia modeli prototypowych w zastosowaniach odlewania próżniowego. Jej główną cechą jest dokładność i szybkość. Obecnie stosowane ekrany LCD 4K lub 8K pozwalają na uzyskanie dokładności rzędu 35 μm w płaszczyźnie XY, a same napędy pionowe do 10 mikrometrów w osi Z. Równoległe matryce LED UV (ParaLED Matrix 3.0) pozwalają uzyskać prędkość wydruku wynoszącą 90 mm/h. Ceny tych urządzeń są jednocześnie stosunkowo niskie.

          Producenci drukarek 3D w technologii LCD dążą do zwiększania pól roboczych. Wzrost wielkości ekranów LCD wiąże się jednak ze spadkiem rozdzielczości. Wielkość pola roboczego jest istotna przy tworzeniu jednoczęściowych modeli prototypowych. Dodatkowo, duże pole robocze umożliwia wydruk kilku elementów jednocześnie. W drukarkach 3D LCD wydruk wielu elementów jednakowej wysokości trwa tyle samo czasu co jednego elementu. Tabela 1 przedstawia przykładowe drukarki 3D w technologii LCD oraz ich parametry. Możliwość wydruku kilku elementów o różnej geometrii w tym samym czasie. Pozwala to na utworzenie podczas jednego wydruku kilku modeli prototypowych. Pozwala to na utworzenie kilku form silikonowych lub jednej z wieloma elementami. Zmniejsza to także ryzyko niepowodzenia wydruku.

Rys. 1. Drukarka 3D Phrozen Sonic 4K w technologii LCD zapewniająca wysoką jakość wydruków w krótkim czasie. Cena podanej drukarki wynosi 1400$ (styczeń, 2021).

Tab. 1. Zestawienie drukarek 3D w technologii LCD wraz z ich wybranymi parametrami w odniesieniu do produkcji modeli prototypowych w odlewaniu próżniowym.

Wysoka dokładność wydruków w technologii LCD (rys. 2), pozwala także na uniknięcie czasochłonnej obróbki po procesie wydruku. W przypadku zajścia takiej potrzeby, utwardzone żywice fotoutwardzalne można szlifować, aż do uzyskania zadowalającego efektu. Należy jednak uwzględnić wtedy naddatek podczas projektowania elementu.

Rys. 2. Wydruk 3D w technologii LCD bez obróbki.

          Podczas przygotowania modelu cyfrowego do wydruku wykorzystywane jest oprogramowanie przetwarzające model na obrazy wyświetlane kolejno na ekranie LCD. Możliwe jest także dodanie na tym etapie elementów podporowych do wydruku. Elementy podporowe o odpowiedniej geometrii i ułożeniu mogą też stanowić otwory wlewowe oraz odpowietrzające. Do przedstawionych rozważań zostanie użyte oprogramowanie Chitubox (rys. 3). Wydruk zostanie wykonany na drukarce Phrozen Shuffle XL 2019.

Rys. 3. Zrzut ekranu z oprogramowania Chitubox z widokiem na model STL.

Oprogramowanie Chitubox pozwala na przygotowanie modeli cyfrowych do wydruku na drukarkach w technologii LCD. Przede wszystkim oferuje ono podzielenie modelu cyfrowego na obrazy odwzorowujące jego kolejne warstwy podczas wydruku. Dodatkowo, można także kontrolować parametry w późniejszym procesie wydruku, dodać i edytować elementy podporowe wraz z modelem cyfrowym oraz obliczyć czas wydruku czy objętość potrzebnej żywicy.

Przez edycje poszczególnych parametrów połączeń podpór (rys. 4) został wybrany jeden rodzaj ułatwiający tworzenie otworów wlewowych i odpowietrzających (rys. 5). Jego dolna część, od przewężenia, zostanie odcięta umożliwiając łatwe wyjęcie modelu prototypowego oraz odlewu z formy. Aby zwiększyć powodzenie wydruku zostały dodatkowo zastosowane mniejsze elementy podporowe widoczne na rys. 6. Mogą one zostać łatwiej usunięte niż podpory o większej średnicy. Jednocześnie w przypadku braku ich usunięcia, możliwe jest wykorzystanie ich jako otworów odpowietrzających. Aby przyspieszyć przykładowy proces tworzenia modelu prototypowego ilość elementów do wydruku została powielona (rys. 7). Czas wydruku nie zmieni się, a prawdopodobieństwo nieudanego wydruku zmniejszy się. Niekorzystnym parametrem wydruku ulegającym zmianie jest wzrost ilości żywicy fotoutwardzalnej wykorzystanej do wydruku. Wpływa to na koszt samego wydruku. W tym wypadku wyniesie on w przybliżeniu 4,69$ (przy cenie 70$ brutto za 1 kilogram żywicy fotoutwardzalnej do druku 3D LCD).

Rys. 4. Dodane elementy podporowe o różnych parametrach. Po prawej stronie widoczna jest możliwość edycji poszczególnych elementów podpór.

Rys. 5. Wybrane elementy podporowe służące do utworzenia w formie otworów wlewowych oraz odpowietrzających.

Elementy po wydruku pokazane zostały na rys. 8, przed zdjęciem z platformy roboczej drukarki. Następnie zostały oczyszczone z podpór dodatkowych i przemyte z nieutwardzonej żywicy w roztworze alkoholu izopropylowego 99% (rys. 9) oraz ponownie naświetlone światłem z zakresu UV o mocy 20 W przez 5 minut (rys. 10), aby dokończyć proces polimeryzacji. Po tym procesie odcięte i zeszlifowane zostały podpory służące do utworzenia otworów wlewowych i odpowietrzających (rys. 11). Gotowy element został przedstawiony na rys. 12.

Rys. 6. Model przygotowany do wydruku w technologii LCD.

Rys. 7. Elementy gotowe do wydruku w technologii LCD. Po lewej stronie ułożone są na powierzchni roboczej przygotowane elementy. Po środku widoczna jest symulacja obrazu wyświetlanego przy wybranej warstwie wydruku. Po prawej stronie wyświetlone zostały parametry wydruku – przybliżona objętość, waga i cena żywicy użytej do wydruku oraz czas wydruku.

Rys. 8. Elementy wydrukowane w technologii LCD przy użyciu drukarki Phrozen Shuffle XL 2019.

Rys. 9. Wydrukowany element zanurzony w roztworze izopropanolu 99% w celu usunięcia nieutwardzonej żywicy fotoutwardzalnej.

Rys. 10. Naświetlanie wydruku 3D w technologii LCD światłem z zakresu UV.

Rys. 11. Zeszlifowane ręcznie, papierem ściernym o gradacji 500, podpory tworzące otwory wlewowe oraz odpowietrzające.

Rys. 12. Model prototypowy wydrukowany na drukarce 3D w technologii LCD.

W części 2 artykułu przedstawiony zostanie proponowany sposób utworzenia form silikonowych do odlewów próżniowych wraz z wykonaniem samego odlewu.

Autor: Jakub Gajewski, zespół wytwarzaj.pl