Лазерный мир

В.Слюсар // Фотоника, 5/2003, с: 54-60

Возросшие требования к мобильности современных боевых систем, оперативности и полноте их всестороннего обеспечения вынуждают военных специалистов развитых стран искать новые подходы к совершенствованию средств военной логистики. Эффективные методы решения проблем в этой области могут дать фаббер-технологии, именуемые также технологиями быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) или трехмерной печати. Эти технологии основаны на автоматическом преобразовании электронных CAD-моделей в твердотельные физические объекты с помощью так называемых фабберов – специальных цифровых устройств механической обработки. Развитие фаббер-технологий привело к тому, что сегодня они уже выходят за границы своего первоначального предназначения и находят широкое применение в промышленном и гражданском секторах рынка.

В последние годы этот подход распространился и в область микроминиатюрных технологий. Так, фирма Revise разработала процесс трехмерной инверсной стереолитографии, основанный на лазерном микрохимическом травлении исходного материала. Суть процесса состоит в плавлении микроскопической области материала с помощью узкосфокусированного лазерного пучка (мощностью 8–10 Вт) в присутствии газообразного химического реагента. Подаваемый под высоким давлением (100–400 Торр) газ-реагент образует с расплавленным материалом устойчивое химическое соединение, которое удаляется из зоны реакции. Фирмой создана установка 9900 FIB ASSISTANT для лазерной обработки кремниевых заготовок в присутствии хлора. Благодаря уникальным теплопроводным свойствам кремния размер его расплавленной области может составлять всего несколько кубических микрон, причем за пределами этой области его кристаллическая решетка не изменяется. Толщина удаляемого слоя равна 1–8 мкм, шероховатость вытравленных поверхностей не превышает 30 нм.

В начале 70-х был предложен порошковый процесс, имеющий много общего с современными лазерными методами поверхностного синтеза [2]. При формировании объекта этим методом мелкие частицы подаются к матрице либо самотеком, под действием магнитостатической или электростатической силы, либо с помощью сопла. Лазерным, электронным или плазменным пучком частицы локально нагреваются, образуя в результате сцепления друг с другом непрерывный слой. Для увеличения силы связи частиц можно использовать несколько синхронно работающих источников тепла, например лазеров (рис.1). Правда, для формирования прототипов с помощью этого метода материал должен быть плавким, хотя бы частично.

Общепризнанный лидер в области стереолитографии – компания 3D Systems. Типичный фаббер фирмы состоит из четырех основных блоков: процессора построения сечений, управляющего процессора, камеры синтеза и лазерного блока. Процессор построения сечений преобразует данные файла модели на стандартном языке высокого уровня STL (Stereolithography Text Language), используемого в большинстве фабберов, в данные совокупности послойных сечений с заданным шагом, помещаемые в SLI-файл (машинно-зависимый двумерный формат векторных данных управления лучом лазера). По данным этого файла управляющий процессор на протяжении всего процесса синтеза контролирует перемещения механических узлов фаббера (элеватора, системы зеркал, тральщика и т. п.). Камера синтеза представляет собой резервуар, заполняемый жидким фотоотверждаемым полимером (рис.2). Внутри него по командам управляющего процессора в вертикальном направлении перемещается опорная платформа (элеватор). В исходном состоянии зазор между рабочей поверхностью элеватора и поверхностью жидкого полимера равен толщине первого слоя синтезируемого объекта. С началом синтеза лазерный луч сканирует поверхность полимера в соответствии с текущими данными сечения модели. Фотополимерная жидкость под действием лазерного излучения переходит в твердую фазу, причем для этого не требуется большой энергии. После того, как лазерный луч полностью отсканирует первый слой, элеватор опускается на один уровень и процесс сканирования повторяется. По завершении синтеза заготовка модели удаляется из резервуара и для обеспечения заданной прочности обрабатывается мощным УФ-излучением. Для поддержки выступающих фрагментов модели в ходе формирования последующих уровней используются опорные элементы, образуемые точечной лазерной засветкой фотополимера. После завершения синтеза объекта эти элементы удаляются.

Полное содержание статьи: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/1/article_1269_632.pdf