Быстрое прототипирование и изготовление

Новый слой сканируется, образуя следующее поперечное сечение и склеиваясь с предыдущим слоем.

Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан верхний слой детали.

Для отверждения детали проводится последующая тепловая обработка.

 
Рис. 12.6. Трехмерная печать (с разрешения проф. Сакса, MIT)

С помощью трехмерной печати было бы удобно изготавливать формы для литья, поскольку форма изготавливается как цельная деталь, состоящая из оболочки и полостей, и положение полостей относительно оболочки можно было бы задавать точно. Однако формы для литья, изготовленные путем современной трехмерной печати, имеют невысокое качество поверхности.

1.2.5. Ламинирование

В процессе ламинирования (laminated object manufacturing - LOM), коммерциализированном фирмой Helisys, деталь изготавливается путем ламинирования и лазерной резки материалов, поступающих в листовом виде. Слипание листов происходит за счет наличия термоадгезивного покрытия. Процесс протекает следующим образом.

Каждый лист приклеивается к заготовке с помощью нагрева и давления, образуя очередной слой. Листовой материал подается в виде непрерывного рулона с одной стороны машины и принимается с противоположной стороны (рис. 12.7). Температуру и давление, необходимые для ламинирования, обеспечивает нагретый валик. Обратите внимание, что когда к стопке приклеивается следующий лист, платформа опускается на толщину одного листа.

После того как слой (лист) приклеен, он сканируется лазером вдоль контуров текущего поперечного сечения. Обычно для этой цели используется лазер на углекислом газе мощностью 25 или 50 Вт. Как и в других процессах, этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения. Обратите внимание, что здесь сканирование производится только по контурам. Это делает данный процесс более эффективным, чем процессы, требующие растрового сканирования.

Области слоя, выходящие за пределы контуров, штрихуются лазером (то есть рассекаются на маленькие кусочки, называемые черепичками (tiles), для последующего удаления, когда деталь будет закончена).

 
Рис. 12.7. Ламинирование (с разрешения Helisys, Inc.)

Шаги 1-3 повторяются до тех пор, пока не будет наклеен и вырезан верхний слой детали.

После того как все слои будут готовы, результатом будет деталь, находящаяся внутри блока поддерживающего материала. Этот материал затем разламывается на кусочки вдоль линий лазерной штриховки.

Готовую деталь можно покрыть герметиком, чтобы предохранить ее от влажности.

Наличие поддерживающего материала вокруг детали имеет свои преимущества и недостатки. Прежде всего оно исключает необходимость во внешних поддерживающих структурах. При изготовлении детали внутри блока поддерживающего материала, имеющего определенную форму, геометрия всей структуры стабилизирована в процессе изготовления и, соответственно, ей не грозит перекос под собственным весом. Более того, нам не приходится беспокоиться об изолированных "островках", которые часто образуются, когда твердое тело, спроектированное в CAD-системе, рассекается на слои. Иными словами, ламинирование позволяет избежать создания специальных подпорок, которые точно фиксировали бы эти "островки" в пространстве, пока в процессе изготовления не будут созданы "мосты" к оставшимся частям детали. Однако удаление лишнего материала по окончании изготовления детали является непростой задачей (рис. 12.8).  
Чтобы гарантировать, что удалены будут только излишки, а хрупкие части детали не будут при этом сломаны, необходима бережная очистка, выполняемая вручную. Кроме того, полую структуру с замкнутыми поверхностями невозможно изготовить в виде единой части, поскольку в этом случае излишки материала невозможно будет извлечь изнутри. Сложность удаления ненужного материала характеризует любую часть с узкими перемычками, внутренними полостями с ограниченным доступом, слепыми отверстиями и т. п. Далее, большая часть материала, расходуемая при ламинировании, идет не на саму деталь, а остается неиспользованной в рулоне или образует поддерживающие структуры, которые будут удалены после изготовления. Это может быть весьма расточительно, если применяются более дорогостоящие материалы, чем бумага.

 
Рис. 12.8. Процесс удаления черепичек (с разрешения Helisys, Inc.)

Помимо преимуществ и недостатков процесс ламинирования имеет следующие характеристики.

Это субтрактивный, а не аддитивный процесс (то есть для создания слоя с требуемым поперечным сечением материал удаляется, а не добавляется). Во всех прочих процессах БПИ слои образуются путем добавления материала. Таким образом, потенциально ламинирование является самой быстрой технологией изготовления деталей с большим отношением объема к площади поверхности.

Детали образуются перемежающимися слоями материала и клейкого вещества. Соответственно, многие из их физических свойств являются неоднородными и анизотропными.

Потенциальная точность процесса изготовления ламинированных объектов высока. В нем может использоваться сколь угодно тонкий листовой материал, что позволяет достичь хорошей разрешающей способности в направлении наращивания детали. В действительности изготовить тонкий однородный листовой материал несложно, и усадка при ламинировании не представ-ляет проблемы, поскольку контуры вырезаются после того, как происходит усадка.

Хотя процесс потенциально применим ко многим материалам, включая пластики, композиты и металлы, наиболее популярным на сегодняшний день является бумажное ламинирование.

1.2.6. Моделирование  методом наплавления

В процессе наплавления (fused-deposition modeling - FDM), коммерциализированном фирмой Stratasys, каждый слой формируется путем выдавливания термопластичного материала, находящегося в жидком состоянии (рис. 12.9). Температура выдавливаемого материала незначительно превышает его температуру затвердевания: это аналогично созданию надписей на торте шоколадным кремом. Деталь изготавливается путем последовательного наплавления слоев. Этот процесс относительно прост, но его применение ограничено термопластичными материалами.

 
Рис. 12.9. Моделирование методом наплавления (с разрешения Stratasys, Inc.)

1.2.7. Недорогие  станки для быстрого прототипирования и изготовления

Как было сказано выше, быстрое прототипирование и изготовление позволяет сократить время и расходы, требуемые на доведение нового продукта от первоначальной идеи до производства. Использование быстрого прототипирования и изготовления на ранней стадии процесса проектирования позволит выявить фундаментальные ошибки, исправление которых может обойтись дорого, если они обнаруживаются в тот момент, когда деталь уже готова к производству. Однако детали, изготовленные этим способом, недешевы, и порой сложно определить, сколько деталей следует изготовить, чтобы получить от них максимальную отдачу. Кроме того, поскольку быстро изготовленные прототипы по-разному используются на различных стадиях процесса проектирования, физические требования к ним также будут варьировать в зависимости от способа использования. И именно здесь может сыграть свою роль новый класс приборов - офисные, или настольные станки для моделирования. С помощью таких приборов, как Actua 2100 от 3D Systems, Genisys от Stratasys, Model Maker II от Sanders Prototype, Z402 от Z Corporation и JP System 5 от Schroff Development, имеющих более низкую цену и меньшие эксплуатационные расходы, удобно изготавливать относительно грубые (за исключением Model Maker II), но недорогие прототипы для проверки реализуемости идеи и оценки проекта. Недорогие станки для быстрого прототипирования и изготовления от различных производителей сравниваются в табл. 12.2, а на рис. 12.10 иллюстрируется технология под названием многоструйное моделирование (multijet modeling - MJM), применяемая в приборе Actua 2100 от 3D Systems. В методе многоструйного моделирования используется печатающая головка с линейкой из 96 сопел. 
 
Таблица 12.2.  
Характеристики недорогих (настольных) станков для быстрого прототипирования

Модель	Actua 2100	Genisys	Model Maker II	JP System 5
Компания	3D Systems	Stratasys, Inc.	Sanders Prototype, Inc	Schroff Development Co.
Размеры рабочего пространства	250 x 200 x 200 мм	203 x 203 x 203 мм	152 x 304 x 228 мм	Стандартная версия: резец шириной 305 мм    Расширенная версия: резец шириной 610 мм
Технология	Печатающая головка с 96 соплами слой за слоем наносит термополимерный материал	Устройство трехмерной печати с подачей материала через экструзионную головку	Жидкостно-твердый струйный плоттер наносит два материала слой за слоем	Нарезка слоев резцом плоттера с ручным их наложением
Программный интерфейс	Программа Allegro и сокет TCP/IP	Программа AutoGen и сокет TCP/IP	ModelWorks (работает с файлами SLC, STL, AutoCad DXF, HPGL и OBJ)	Импортирует STL
Толщина слоя	—	—	0,013–0,13 мм	0,1–0,3 мм
Точность	–/300 DPI	0,356 мм/0,33 мм	0,025 мм (x, y)    0,013 мм (z)	Не гарантируется какой-либо определенный уровень точности
Подача материала	Картридж с термополимерным материалом (хрупкий пластиковый полимер)	Кассеты с листами пластикового полимера (прочный пластиковый полимер)	Шарики термопластика и воска отдельно засыпаются в резервуар и расплавляются	Бумага
Размеры	1370 x 760 x 1120 мм	914 x 737 x 813 мм	685 x 381 x 685 мм	Площадь около 610 x 1220 мм
Вес	415 кг	84 кг	40,8 кг

 

 
Рис. 12.10. Схема многоструйного моделирования в аппарате Actua 2100 от 3D: а - механизм; б - изготовление детали (с разрешения 3D Systems, Inc.)

1.3. Применение  быстрого прототипирования и изготовления

Область применения быстрого прототипирования и изготовления определяется достижимой точностью изготовления детали и механическими свойствами используемого материала - растяжимостью, твердостью и прочностью на разрыв. Варианты применения можно разбить на три основные группы:

прототипы для оценки проекта;

прототипы для функциональной оценки;

модели для дальнейшего производственного процесса.

Первое время после своего появления процессы БПИ использовались в основном для придания спроектированному объекту зримой формы и заполнения коммуникационного пробела, позволяя создавать полноразмерные физические модели, которые можно потрогать и подержать. Это произвело революцию в совещаниях по оценке проектов: конструктивный диалог, который ведут члены конструкторской группы, передавая друг другу модель, дал им возможность формулировать свои критические замечания и предложения на общем уровне зрительного взаимопонимания. В некоторых случаях поддержка конструкторов сама по себе служила главным обоснованием вложения средств в станки для быстрого прототипирования и изготовления. Теперь широкое распространение процессов БПИ в сфере производства стало движущей силой их дальнейшего развития.

1.3.1. Прототипы  для оценки проекта

Современные системы твердотельного моделирования упрощают оценку проекта благодаря наличию таких функций, как просмотр, затенение, вращение и увеличение. Однако не подлежит сомнению, что оценка проекта производится более адекватно, когда конструктор может потрогать и подержать в руках физический прототип конструкции. Даже несмотря на огромный опыт в чтении чертежей или CAD-изображений сложных объектов отчетливо представить себе, как будет выглядеть реальная деталь, - это до сих пор очень сложная задача. Такие особенности, как слепые отверстия, сложные внутренние каналы и поверхности сложной кривизны, зачастую приводят к трудностям в интерпретации. Сокращение количества ошибок за счет улучшенной визуализации детали может быть значительным. Нет лучшего способа удостовериться, что сложная деталь имеет именно те свойства, которые планировались, чем подержать ее в руках, повертеть и посмотреть на нее со всех сторон. В частности, для эстетической оценки дизайна физический объект необходим.

1.3.2. Прототипы  для функциональной оценки

Когда проект готов, конструктор должен удостовериться, что он обеспечивает выполнение всех функций, которые изначально предполагались. Простая функциональная оценка может включать проверку практичности сборки, кинематических и аэродинамических характеристик. 
Часто бывает необходимо проверить, можно ли легко собрать продукт из составляющих его компонентов или разобрать его для обслуживания. Нередко оказывается, что собрать продукт можно лишь с большими трудностями, а порой и вовсе невозможно. Для простых сборных конструкций возможность или простоту сборки можно оценить, глядя на чертеж. Однако на практике принято выполнять такую проверку путем реальной сборки. В этом случае прототипы, создаваемые методом быстрого прототипирования и изготовления, весьма полезны, поскольку компоненты, сделанные из другого материала, являются тем не менее достаточно адекватными для выполнения сборки. Использование прототипов вместо реальных компонентов дает значительную экономию времени и средств. 
При тестировании кинематических характеристик проверяется, функционируют ли движущиеся части сборной конструкции так, как это задумывалось. Движению деталей часто препятствуют неожиданные помехи или другие компоненты сборки. Фактически невозможность движения некоторых компонентов по причине столкновения одних компонентов с другими может быть выявлена только при тестировании собранного физического прототипа. Поскольку кинематические характеристики могут быть проверены на компонентах, не имеющих такой степени прочности, как требуется для конечного продукта, прототипы, изготовленные методом быстрого прототипирования, снова оказываются весьма полезны. 
Прототип, созданный посредством быстрого прототипирования и изготовления, можно также использовать для проверки аэродинамических характеристик конструкции путем ее продувки в аэродинамической трубе. Ключевую роль в определении аэродинамических характеристик детали играет ее геометрическая форма, поэтому здесь подойдет прототип, изготовленный из другого материала. Однако для проверки других характеристик - прочности, пределов рабочей температуры, усталости и коррозионной устойчивости - требуется, чтобы прототип был сделан из того же материала, что и оригинальная конструкция. К сожалению, ввиду ограничений на типы материалов, которые могут использоваться для быстрого прототипирования и изготовления, многие из материалов, указываемых конструкторами, не подходят для создания прототипов этим методом. Однако такие прототипы могут использоваться в качестве шаблонов для других производственных процессов, которые мы опишем в следующем разделе. На настоящий момент успешно опробован ряд методов, позволяющих относительно быстро и рентабельно пройти путь от прототипа до реальной функциональной детали. 
Значительные преимущества, например, обеспечивает сочетание изготовления моделей и литья. В этом случае литейная модель и стержни изготавливаются системой быстрого прототипирования и используются так же, как и деревянные модели и обычные стержни. Модели могут также использоваться для копирования. Еще одно важное применение прототипов - нанесение покрытий. В частности, приобретает популярность изготовление катодов для процедур электроэрозионной обработки путем нанесения покрытия на медные детали. Ниже приведен перечень технологий производства, в которых в качестве шаблонов можно использовать прототипы, созданные методом быстрого прототипирования [75]:

• вулканизационное литье из силикона при комнатной температуре;
• вакуумное литье;
• формовое блочное литье;
• аэрозольное металлическое литье (процесс Тафа);
• литьевое прессование пластмасс;
• литье в песчаные формы из алюминия и черных металлов;
• литье по выплавляемым моделям;
• инструменты для электроэрозионной обработки (процесс Хаузермана).

Какая из технологий окажется наиболее выгодной, зависит от размеров и геометрии прототипа, типа материала функционального компонента, требуемой точности и количества компонентов, которые необходимо изготовить.

 

 

Заключение

Преимущества технологий БП

• Сокращение длительности технической подготовки производства новой продукции в 2-4 раза. 
• Снижение себестоимости продукции, особенно в мелкосерийном или единичном производстве в 2-3 раза. 
• Значительное повышение гибкости производства. 
• Повышение конкурентоспособности производства. 
• Сквозное использование компьютерных технологий, интеграция с системами САПР.

Недостатки технологий БП

• Относительно высокая цена установок и расходных материалов. 
•Невысокая точность 
• Относительно низкая прочность моделей

С течением времени недостатки постепенно устраняются - снижаются цены, увеличивается выбор технологий и материалов.

 

Список используемой литературы

1. Васильев В.А., Васильев Н.В., Максимов Н.М. Получение отливок методами быстрого прототипирования для ювелирно-художественной промышленности//Литейщик России. 2003. - №9. -С.20-28.
2. СапрыкинА.  А.  Технологии быстрого прототипирования вмашиностроительном производстве // «Современные технологические системы в машиностроении(СТСМ-2003)».Сборник тезисов докладов международной научно-практической конференции. –  г.  Барнаул:  Изд-во Алт.  гос.  ун-та им. Ползунова, 2003 г. –124-125 с.
3. Маркин В.А.,  Маркина С.А.  Проект системы для быстрого прототипирования распараллеливающего компилятора.  Универсальное внутреннее представление системы // Современные проблемы конструирования программ. —Новосибирск, 2002
4. Багров В.В.,  Голованов И.В., Куприянов Н.Л., Нефедов С.В. Петров А.Л., Саченко., А.И., Шишковский И.В. Основы метода селективного лазерного спекания метал-полимерных порошковых композиций //Препринт ФИАН. Москва. 1996. №1