W dobie coraz szybciej postępującej miniaturyzacji wyrobów, stanowiących fragmenty różnych, bardziej złożonych urządzeń o niewielkich gabarytach, jak również rosnącej potrzebie wykonywania elementów o wadze nieprzekraczającej dziesiątych części grama i rozmiarach rzędu kilku mikrometrów, bardzo istotnym problemem stała się możliwość wykonywania na dużą skalę precyzyjnych i powtarzalnych w swym kształcie mikroform.
Wszczególności zagadnienie to pojawia się w takich branżach, jak: przemysł zegarmistrzowski, medycyna (implanty), modelarstwo, jubilerstwo, a także wszędzie tam, gdzie poprawne i dokładne funkcjonowanie maszyn i ich zespołów, warunkowane jest wsparciem ze strony mikromaszyn, czy mikroukładów.
Metoda addytywno-subtraktywna
Przełomem w tym zakresie stała się nowa technologia, opracowana przez zespół naukowo-badawczy amerykańskiej firmy Solidscape Inc, a polegająca na tworzeniu, czy też właściwie budowaniu precyzyjnych modeli woskowych, stanowiących fizykalne odwzorowanie zaprojektowanego komputerowo elementu, o zupełnie dowolnym kształcie, którego minimalne rozmiary mogą wynosić nawet 0,254 mm. Osiągana w tej technice porowatość powierzchni nie przekracza 0,8 μm, co umożliwia odlanie modelu w metalu i uzyskanie jego dokładnej repliki, będącej na przykład mikroformą, która w dalszej fazie posłuży uzyskaniu finalnego produktu, poprzez wtryśnięcie doń wybranego materiału.
Technika ta, określana, jako DODJET (wtrysk kropli na żądanie), nie jest co prawda zupełną nowością, gdyż w pewnym zakresie korzystały z niej już wcześniej niektóre rodzaje drukarek, niemniej została ona w ogromnym stopniu ulepszona i zmodyfikowana po to, by możliwe stało się otrzymywanie modeli przestrzennych.
Generalnie proces jego tworzenia polega na stosowaniu dwóch rodzajów materiału, dla zapewnienia wierności odtwarzania zaprojektowanego elementu. Model w swej podstawowej geometrii budowany jest przez główny materiał i nakładany kolejnymi warstwami, podczas gdy materiał pomocniczy, który nie wnika we właściwą strukturę modelu, daje stabilność konstrukcji (układany jest w zagłębieniach i wspiera występy). Każda warstwa składa się z kropel materiału, których wielkość i pozycjonowanie jest niezwykle dokładne, dzięki dwóm głowicom sterowanym elektrycznie z wykorzystaniem zjawiska piezoelektrycznego. Odpowiednia grubość warstwy oraz jej gładkość zachowywane są dzięki zabiegowi wygładzania (frezowania) powierzchni, stosowanemu każdorazowo po nałożeniu kolejnej warstwy. Grubość nakładanych warstw jest bez przerwy monitorowana i utrzymywana w przedziale 12,7 do 76,2 mikrometra, co skutecznie zapobiega powstaniu niepożądanego efektu „schodków” na powierzchni gotowego modelu.
Następnie materiał pomocniczy zostaje z gotowego modelu selektywnie usunięty poprzez rozpuszczenie, tak aby uzyskać całkowitą jego wierność w stosunku do zaprojektowanego wzorca. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych zabiegów, jak szlifowanie, czy korekta kształtu, jako że obiekt jest pozbawiony wad strukturalnych, które często pojawiają się w technikach tworzenia modelu woskowego za pomocą obróbki pojedynczego kawałka materiału, lub gdy warstwy posiadają grube uziarnienie.
Wprowadzenie systemu DODJET pozwoliło na uzyskanie porowatości stanowiącej 1/10 tego co proponowały dotychczas stosowane techniki tworzenia woskowych wzorców.
Ta wysoka precyzja jest nadzwyczaj użyteczna przy tworzeniu najbardziej złożonych i skomplikowanych mikroform.
Właściwy materiał konstrukcyjny tworzący model, jak i materiał pomocniczy są cyfrowo nanoszone na podłoże w postaci ciekłych kropelek, z których każda z kolei stanowi serię jednorodnych objętościowo „mikro kropelek”, co jest istotą techniki nakrapiania wtryskowego w systemie Solidscape. Technologia ta pozwala na ulokowanie kropelek w dowolnie wybranym miejscu podłoża z całkowitą dokładnością do 25,4 mikrometra. Kropelki mają znamionową średnicę 76,2 mikrometra i przyklejają się jedna do drugiej w fazie zestalania modelu, tj. w trakcie przechodzenia fazy ciekłej w stałą, tworząc w ten sposób jednolitą, stałą masę.
Proces twardnienia przebiega na tyle szybko, iż pozwala na wygładzenie powierzchni, wkrótce po jej nałożeniu.
Ponieważ wtrysk jest sterowaną cyfrowo funkcją DODJET, kropelki są zsynchronizowane z cyklami przesuwu głowicy, co sprawia iż model jest w sposób ciągły i jednorodny rozbudowywany wzwyż. Stopień, w jakim kropelki na siebie zachodzą lub są od siebie dystansowane, jest precyzyjnie sterowany przez binarny program roboczy ModelWorks.
Program ten umożliwia ponadto: import plików STL i SLC, orientowanie elementów w przestrzeni w trakcie tworzenia modelu, przesuwanie i skalowanie jego części, odnajdywanie i korygowanie pustych przestrzeni, luk i otwartych powierzchni, obserwację trójwymiarowych, cieniowanych obrazów fragmentów modelu, korektę powierzchni, podział na warstwy i rastrowanie, graficzną ilustrację pliku binarnego danego przekroju, wielokrotne tworzenie i replikowanie elementów dla pojedynczego cyklu budowy. Gładkość powierzchni zapewnia również powadzenie ciągłej analizy długości obwodu, jaki ma w swoim obrysie każda porcja nakładanego materiału – przed wypełnieniem wnętrza modelu materiałem konstrukcyjnym. W celu wzmocnienia wytrzymałości i trwałości ścianki, jak również uzyskania należytej jakości, odpowiedni plik programu roboczego, który odpowiada za konfigurację, automatycznie buduje dwie lub więcej, przylegających ścianek wewnętrznych.
Gdy struktura ścianki jest już przygotowana, pozostający w części wewnętrznej obszar jest szybko wypełniany, naprzemiennie wzdłuż osi X i Y, to jest w kierunkach do siebie prostopadłych. Taka ortogonalność procedury powoduje wewnętrzne związanie i zwarcie struktury modelu co zwiększa jego wytrzymałość i trwałość.
Po wypełnieniu materiałem konstrukcyjnym, na tę samą warstwę nanoszony jest materiał pomocniczy, który, jak wspomniano, nie wnika jednakże w konstrukcję modelu. Dzięki temu nie tworzy się struktura „rusztowania”, charakterystyczna dla innych metod posługujących się jednym tylko materiałem konstrukcyjnym.
Opisana powyżej technologia stanowi przykład addytywno-subtraktywnej metody tworzenia mikroform, jako że z jednej strony urządzenie rozpoczyna od pustej przestrzeni, w której umieszcza (dodaje) materiał; z drugiej zaś, na koniec procesu, materiał pomocniczy zostaje usunięty (odjęty) z właściwej konstrukcji modelu. Jako ciekawostkę można podać fakt, iż główny jej pomysłodawca i twórca czerpał swoje inspiracje z technik wykorzystywanych do tworzenia pisma Braille’a.
Metoda subtraktywna
Inną, podobnie skuteczną i dokładną technologię, ale o charakterze ściśle subtraktywnym oferują grawerki laserowe z oprogramowaniem 3D. W tym przypadku tworzenie mikroformy polega na jej bezpośrednim wykonaniu w metalu poprzez wiązkę promienia laserowego, który penetruje metal ze ściśle określoną mocą i dokładnością, oraz w sposób ustalony na podstawie uprzednio przygotowanego projektu komputerowego. Włoska firma „Sisma”oferuje bardzo szeroką gamę urządzeń, z których jedna z najbardziej popularnych i uniwersalnych – posiada laser diodowy Nd:Yag i jest zdolna do grawerowania z maksymalną prędkością 5000 mm/s.
Przy odpowiednim zawężeniu pola roboczego, co przy mikroformach stanowi normę, koniec wiązki laserowej, zwany popularnie „plamką”, może osiągać minimalną średnicę o wielkości 23 μm, przy mocy 50 W.
Rozdzielczość położenia natomiast osiąga wartość 1,7 μm, co zapewnia wykonanie zadania z najwyższą dokładnością.
Właściwości te oraz gwarancja całkowitej powtarzalności procesu przy danych, ustawionych parametrach, zapewniają szybkie i precyzyjne wykonanie matrycy, która może następnie stanowić idealną formę do produkcji mikroelementów.
Wojciech Kociuba
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (34/35) lipiec/sierpień 2010
