CLIP-технология: материалы и их применение

Технология CLIP-печать в объеме компании Carbon продолжает развиваться. В данной статье представим линейку фотополимерных материалов компании, которые нашли уже свое применение в реальных промышленных изделиях, обеспечивая им новые возможности.
Напомним, что CLIP-технология обладает двумя основными преимуществами в сравнении с традиционными аддитивными технологиями, основанными на послойном выращивании изделий [1, 2, 3]. Это высокая скорость построения (на порядки выше) и однородная структура материала изделия (нет анизотропии свойств по разным направлениям).
Технология фотополимеризации материалов хорошо известна и широко используется, в том числе и в АМ (например, принтеры Envisiontec). Создание так называемой «мертвой зоны» за счет сочетания облучения ультрафиолетом и подачи кислорода в ванну с жидким фотополимером (технология CLIP) позволило выращивать изделие непосредственно в объеме.
На сегодня компания Carbon представила две модели 3D-принтеров — М1 (рабочая зона 141×79×326 мм) и М2 (рабочая зона 189×118×326 мм, рис. 1) и целую линейку полимерных материалов, с которыми они работают. Причем использование широкого спектра присадок дало возможность наладить производство материалов с прогнозируемыми свойствами, включая новые классы полимеров, таких как полиуретановые и цианоэфирные смолы. Это можно рассматривать как начало новой эры, в которой впервые цифровые технологии соединились с миром промышленных полимеров. Последние в свою очередь затрагивают почти любую отрасль производства и практически каждого человека.

Рис. 1. Принтеры М1, М2 и пример упаковки материала

Жесткий полиуретан (RPU)

Гибкий, прочный и жесткий материал предназначен для использования в промышленности, включая потребительские товары и автомобилестроение. По свойствам RPU сравним с ABS, при этом имеет высокую степень огнезащиты UL94HB. RPU выдерживает нагрузку в 45 MPa, оставаясь при этом жестким и прочным, и удлиняется на 100 % перед разрушением (рис. 2), превосходя по сочетанию свойств ABS-пластик и нейлон. Три типа материалов RPU 60, RPU 61 и RPU 70 отличаются термостойкостью (возрастает от 58°С до 70°С) и жесткостью. Приведем примеры успешного применения материала RPU.

Рис. 2. Зависимость удлинения (%) от усилия растяжения (MPa) для RPU и ABS материалов

Центр прототипирования при Инженерной школе в Миллуоки оказывает услуги по печати заказов для своих 45 партнеров, используя 3D-принтер М1. В частности, для университета в Висконсине были напечатаны образцы молекул (более 500 разных видов, рис. 3) для изучения на факультете биологии. Часть из образцов имеет достаточно сложную форму и специальные защелки для многократной сборки-разборки, что не позволяет изготовить их традиционным способом инжекционного литья. В планах Инженерной школы увеличить печать учебных наборов до тысяч единиц в ближайшее время, используя технологию CLIP.

Рис. 3. Модель молекулы и ее соединительные элементы

Компания Soundz использовала принтер M1 для запуска линейки аудиосистем высшего класса для спортивных приложений, таких как мотоциклы, служебные автомобили и лодки. Основными требованиями были большая мощность и чистый качественный звук. Дополнительно требовалось высокое качество отделки поверхности, ее текстура, стойкость к ультрафиолетовому излучению и абразивному износу. Все это было реализовано с помощью технологии CLIP в короткие сроки, так что новая серия изделий успела к открытию крупнейшей выставки байкеров Daytona Bike Week (пример решетки системы на рис. 4).

Рис. 4. Решетка акустической системы для мотоцикла

Выгоды от использования технологии CLIP для этого примера:
• возможность получить приемлемое техническое решение намного быстрее даже с учетом нескольких итераций за меньшую стоимость в сравнении с другими АМ-технологиями;
• снижение затрат финансов и времени в процессе отработки технологии;
• получение готового продукта более быстро и с большей уверенностью в успехе.
Образцы других изделий из RPU показаны на рис. 5.

а)  б)

в) г)
Рис. 5. Примеры изделий из RPU: корпус (а), кронштейн крепления мотора (б), корпус зарядного блока (в), шильдик (г)

Гибкий полиуретан (FPU)

Ударопрочный материал FPU предназначен для изготовления жестких корпусов, шарнирных соединений и фрикционных накладок там, где имеются повторяющиеся нагрузки. FPU имеет высокую ударную вязкость, длительный жизненный цикл, технология CLIP обеспечивает гладкую поверхность изделия. Материал сопоставим с полипропиленом, в аддитивном производстве у него нет равных. FPU 50 выдерживает нагрузку в 29 MPa, оставаясь при этом жестким и прочным, и удлиняется на 280 % перед разрушением (рис. 6). Его термостойкость составляет 78°C при нагрузке 0,455 MPa и 52°C при нагрузке 1,82 MPa; диэлектрическая прочность — 13,0 kV/mm; плотность — 1,053 g/cm³.

Рис. 6. Зависимость удлинения ( %) от усилия растяжения (MPa) для гибкого полиуретана (FPU) и полипропилена (PP, образец получен литьем в пресс-форму)

Примером успешного применения материала FPU может стать продукция компания Delphi — поставщика комплектующих для автомобилестроительной отрасли. Используя принтер M1 и материал FPU для установки партии разъемов и других электрических компонентов в серию из 25 автомобилей, компания достигла поставленных целей. Традиционные же материалы в данном случае обеспечивают лишь около 50 % механических свойств, необходимых для создания функциональных и конечных деталей. Другое важное преимущество М1 — сокращение сроков разработки нового продукта. Для дизайнеров компании в проекте появились новые возможности конструирования деталей без ограничений, накладываемых традиционными технологиями. Отсюда сетчатые внутренние структуры, более легкие детали, единые узлы вместо отдельных сборочных единиц, решение проблем уплотнения и т. д. При этом используются разные материалы: EPU для изготовления уплотнений для защиты проводов, FPU для защиты деталей во время сборки и RPU для электрических разъемов.
Наиболее интересны для использования технологии CLIP электрические разъемы, поскольку они представляют собой сложные детали с мелкими элементами, с механизмами фиксирования и блокировки, рассчитанными на определенные усилия удерживания и разъединения. Требование высокой точности изготовления этих деталей делает невозможным применение обычных технологий 3D-печати из-за появления зубчатых краев на детали, слоистой структуры и непредсказуемой производительности.
Высокое разрешение и мягкость технологии CLIP позволяют дизайнерам разрабатывать изотропные детали с гладкой поверхностью с нужным усилием для механизма зацепления отдельных деталей. Традиционные технологии требуют 6–12 недель для изготовления оснастки для литья под давлением. Любые изменения в конструкции оснастки потребуют еще почти столько же времени.
Производство функциональных деталей и узлов на M1 дало возможность компании Delphi сократить время выполнения заказов и обеспечить клиентов нужными материалами для тестирования (рис. 7). Примеры изделий из FPU также представлены на рис. 8.

Рис. 7. Детали для автомобильного производства, изготовленные по технологии CLIP

а)  б)

в) г)
Рис. 8. Примеры изделий из FPU: крепеж с защелкой (а), лента для крепления многоразового использования (б), камера с креплением в сборе (в), разъем (г)

Эластичный полиуретан (EPU)

EPU — это высокоэластичный, устойчивый к разрыву, упругий материал, не имеющий равных в аддитивных технологиях. Уникальное сочетание высоких свойств: прочности на разрыв, возврата энергии и удлинения — делают его идеальным для амортизации, виброизоляции, прокладок и уплотнений. EPU сопоставим с эластомером TPO (термопластическим полиолефином) и ведет себя аналогично полиуретановым эластомерам с литьевым формованием, проявляя упругость в широком температурном диапазоне. При достижении нагрузки разрыва образец удлиняется на 310 % (рис. 9). Предел его прочности на растяжение — 10,2 Mpa; удлинение при разрыве — 310 %; плотность — 1,025 g/cm³. Примеры деталей из EPU представлены на рис. 10.

Рис. 9. Зависимость удлинения ( %) от усилия растяжения (MPa) для EPU эластомера

а) б)

Рис. 10. Примеры деталей из EPU: пространственная решетка (а), амортизатор (б)

Компания Carbon совместно с Adidas разрабатывает первый массовый процесс производства спортивной обуви с использованием технологии CLIP и новых эластомерных материалов. При этом каждая пара обуви может быть создана под уникальные потребности клиента [4].
Проблема конструирования подошвы обуви с переменными свойствами по ее длине и глубине не может быть решена с помощью традиционных технологий литья или формования в пресс-формах. Существующие 3D-технологии позволяли лишь изготавливать прототипы готовых изделий, а производство все равно ориентировалось на привычные технологии. И только CLIP-технология дала и нужные материалы, и высокую скорость печати, и отменное качество готовых изделий (рис. 11).

а)

б) в)

Рис. 11. Обувь Adidas, выполненная с помощью технологии Clip (а), ячеистая структура подошвы (вид сверху — б, вид сбоку — в)

Традиционный путь создания модели обуви: дизайн — прототип — оснастка — производство был заменен на более короткий и быстрый — дизайн — производство. Это позволило испытать более пятидесяти типов различных решеток подошвы перед запуском модели в производство вместо обычных 3–5 циклов при традиционном производстве.
Adidas создал производственную платформу Futurecraft 4D для изготовления пользовательской обуви с максимальной производительностью, уникальной для каждого клиента. Триста пар Futurecraft 4D выпущены в апреле 2017 года для друзей и семьи, за ними последует более 5000 пар для розничной торговли для сезона осень — зима 2017 года. И к концу 2018 г. Adidas планирует создать более 100 000 пар обуви по новой технологии.

Цианоэфирный материал (Cyanate Ester, CE)

Материал СЕ обладает высокими термостойкостью и жесткостью. CE 221, CE 220 идеально подходят для применений, требующих долговременной работы при повышенных температурах, таких как компоненты под капотом автомобиля, электронные сборки и промышленные изделия. Их предел прочности на растяжение — 92±13 MPa, относительное удлинение при разрыве — 3,3±0,8 %, модуль Юнга — 3870±140 MPa, термостойкость — 231°C. CE ведет себя подобно нейлону с 14 % стеклянного наполнителя (GFN 6). Он обладает отличной термической стабильностью и химической стойкостью. CE выдерживает растяжение более 92 МПа перед разрушением (рис. 12). Примеры успешного применения материала CE приведены на рис. 13.

Рис. 12. Зависимость удлинения ( %) от усилия растяжения (MPa) для CE и GFN материалов

а)б)

в) г)

Рис. 13. Примеры применения материала CE: шнек (а), устройство для очистки пипеток (б), охлаждающий модуль (в), жидкостной коллектор (г)

Рассмотрим еще пример подробнее. С учетом растущих потребностей в энергии в будущем центры обработки данных делают огромные инвестиции в технологии, которые оптимизируют эффективность их инфраструктуры. В рамках этих усовершенствований используются технологии жидкостного охлаждения следующего поколения для преодоления недостатков и неэффективности традиционных методов охлаждения на основе воздушного потока. Вместо охлаждения всего пространства системы жидкостного охлаждения поглощают тепло непосредственно от серверов. Поскольку плотность жидкости почти в тысячу раз больше плотности воздуха, они намного эффективнее при переносе тепла, чем системы на основе воздушного потока.
Сегодня однофазные системы жидкого охлаждения поглощают тепло, нагревая смесь вода-гликоль или масло. Оба материала представляют потенциально катастрофические риски короткого замыкания и сложность в обслуживании. Новое решение предложила компания Ebullient (Мэдисон, штат Висконсин) на основе двухфазной системы охлаждения. В двухфазных системах точного охлаждения DirectJet герметичные охлаждающие модули (рис. 14) устанавливаются на серверах и охлаждают критические компоненты. Непроводящая жидкость закачивается в камеру в охлаждающем модуле, а затем попадает на медную пластину, которая находится в тепловом контакте с критическими компонентами сервера. Жидкость частично испаряется внутри модуля и образует множество пузырьков пара, которые переносят тепло от критических компонентов, предохраняя их от перегрева.

Рис. 14. Рабочий охлаждающий модуль

Технология CLIP позволила использовать все возможности проектной модели модуля, которые при традиционной литьевой технологии изготовления невозможно было реализовать: геометрия изделия, точные минимальные отверстия, гладкость поверхности, которые в целом определяют эффективность потока жидкости и теплопередачи.
Материал, используемый в охлаждающих модулях, должен выдерживать значительные нагрузки: давление жидкости и температуры до 100°С. Большинство материалов, доступных для технологий SLA и SLS, имеют тенденцию к деградации около 60°С. Углеродная смола на основе цианата сложных эфиров (CE 221) является единственным материалом на рынке, который имеет температуру стеклования не менее 175°C [347°F].
Производство охлаждающих модулей с CE 221 также более экономически выгодно, чем литье под давлением. Учитывая сложность отдельных элементов детали и наличие внутренних полостей, одна пресс-форма может стоить десятки тысяч долларов, и эта форма подходит только для одного модуля и со временем изнашивается. Технология CLIP позволяет Ebullient избежать дорогостоящих затрат на оснастку для каждого нового дизайна модуля.

Эпоксидный материал (Epoxy, EPX)

EPX 81 является самым точным высокопрочным жестким материалом с механическими свойствами, сопоставимыми с материалом PBT с 20 % стеклянным наполнителем, который обычно используют при изготовлении электрических разъемов. Он имеет термостойкость 140°C и отличную стойкость к истиранию, что позволяет использовать его в различных автомобильных, промышленных и потребительских продуктах. Его свойства: предел прочности на растяжение — 88±3 MPa; относительное удлинение при разрыве — 5,2±0.7 %; модуль Юнга — 3140±105 MPa, термостойкость — 140°C. Тест на растяжение (рис. 15) подтверждает его прочность и жесткость, поскольку он выдерживает более 88 МПа усилия на растяжение перед разрушением. Пример успешного применения материала EPX представлен на рис. 16.

Рис. 15. Зависимость удлинения ( %) от усилия растяжения (MPa) для EPX 81 материала

Рис. 16. Электрический разъем

Уретан метакрилат (UMA: Urethane Methacrylate)

Семейство UMA содержит жесткие материалы, подобные обычным SLA-материалам. UMA 90 — это простая в использовании смола с одним отверждением, обладающая повышенной ударной вязкостью. Она хорошо подходит для изготовления зажимов, приспособлений и прототипов общего назначения. Зависимость деформации от нагрузки (рис. 17) показывает, что материал сохраняет свои высокие характеристики при максимальной нагрузке. Его свойства в твердом состоянии: предел прочности на растяжение — 46±3 MPa; относительное удлинение при разрыве — 17±2 %; термостойкость — 51°C. Примеры применения показаны на рис. 18.

Рис. 17. Зависимость удлинения ( %) от усилия растяжения (MPa) для UMA

Рис. 18. Примеры успешного применения материала CE: крыльчатка (a), фиксатор для кабелей (б)

Материал для стоматологов (DPR)

Углеродная смола DPR 10 идеально подходит для стоматологических моделей и коронок. Материал обеспечивает высокое разрешение, близкий к естественному цвет и гладкую поверхность изделий. DPR 10 также может быть утилизирован с учетом экономного использования. Свойства материала DPR 10 (после УФ-отверждения): предел прочности на растяжение — 46±4 MPa; относительное удлинение при разрыве — 4±1 %; термостойкость — 61°C. Примеры использования материала DPR 10 представлены на рис. 19 и в [5].
Для стоматологических и ортодонтических лабораторий в США, которые оказывают услуги для примерно 190 000 стоматологов, важно инвестировать в новые цифровые технологии, которые будут точны, быстры и обеспечат высокое качество изделий, сохраняя при этом экономическую эффективность и простоту процесса разработки модели. Технология Clip, используемая с зубной смолой DPR 10, способна выполнять 3D-печать с точными высококачественными стоматологическими моделями в десять раз быстрее, чем другие методы. Точное создание зубных моделей также достигается благодаря программному обеспечению Carbon, которое объединяет оборудование и материалы для создания повторяемого и масштабируемого решения для печати. Кроме того, имеется интеграция с существующими специальными программными продуктами для конкретных стоматологических решений.

Рис. 19. Модели нижней арки зубов и коронки зубов

Таким образом, компания Carbon нашла оптимальный путь развития, создав революционную CLIP-технологию промышленного изготовления деталей и соединив ее с огромным миром полимеров. Результат получился отменным. Очевидно, что это только начало в длинном списке новых материалов с заданными свойствами и их уникальных применений.

Литература
1. www.carbon3d.com
2. Максимов Н. М. Сlip-выращивание деталей в объеме// РИТМ машиностроения. — 2015. —№ 8. — C. 26–31.
3. https://player.vimeo.com/video/212079855?&autoplay=1&loop=1&title=0&byline=0&portrait=1
4. Максимов Н. М. Мировой рынок аддитивных технологий // Аддитивные технологии.  — 2017. — № 2. — С. 16–23.
5. https://player.vimeo.com/video/215542236?autoplay=1&loop=1

Н.М. Максимов. ООО "Ника-Рус