|
| Для зарегистрированных пользователей |
|
ПРОТОТИПИРОВАНИЕ
В процессе работы над новым проектом, особенно на стадии комплексного проектирования, трудно выявить различные ошибки и недостатки, используя только экран дисплея. Имея реальную физическую модель будущего изделия можно выявить и устранить различные ошибки, скорректировать пути продолжения процесса проектирования. Прототип изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа конструкции; позволяет конструкторам выполнить доработку и провести некоторые функциональные тесты; может служить мастер-моделью для изготовления инструментальной оснастки.
Кроме того, прототип может использоваться в маркетинговых целях или при определении стоимости изготовления.
Контрольные модели уменьшают затраты на проектирование и подготовку производства за счёт выявления возможных ошибок на ранних стадиях. Также, физические модели проектируемых изделий усиливают связь и взаимопонимание между проектировщиками и заказчиками, сокращая время выхода продукта на рынок.
     
    
Традиционный способ получения физических моделей будущих изделий - изготовление их из легко обрабатываемых материалов вручную или на обычных обрабатывающих станках (рис.1). На изготовление модели затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку нового изделия и задержке сроков выпуска новой продукции.
2. Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping)
Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping - RP) - это новые технологии, активно развивающиеся в проектной и производственной индустрии. Предоставляют возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-системы, и получить чертежи и проекты в 3D-представлении, только нажав кнопку.
При завершении работы на CAD-рабочей станции над идеей или проектом, можно дать команду "печать", и в течении нескольких часов или дней, в зависимости от размера, получить физическую модель изделия (рис.2).
По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках с ЧПУ), существовавшими до середины 80-х годов, появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того, чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут полу-чать их через несколько дней или часов.
В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся на сегодня, работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем (рис.3):
· считывание трёхмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твёрдотельные модели, или модели с замкнутыми поверхност-ными контурами). Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут выдавать файлы STL (рис.4,б, рис.5,б);
· разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение (рис.3, б, в);
· построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели (рис.5, а, б, в)
Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают дан-ные о сечениях CAD-модели.
 
    
На сегодняшний день на рынке существует целый ряд RP машин, значительно отличающиеся по стоимости. Наименьшую стоимость имеют 3D-принтеры, используемые при концептуальном дизайне. Стоимость таких систем начинается с $30000. Наиболее дорогие - производственно-ориентированные системы, стоимостью около $800000. Кроме этого, предлагается множество систем для быстрого прототипирования, стоимость которых находится в этих пределах.
RP-системы появились около 1987 года, когда компания 3D Systems выпустила свои стереолитографические машины (Stereo Litographics Apparatus - SLA). Наряду с 3D Systems первенство по продаже оборудования держат компании Stratasys и DTM. Другие значительные участники этой индустрии - Helisys Inc., Sanders Prototypes Inc., Z Corporation и другие.
    
    
 
Дополнительная информация:
COSCOM Computer GmbH & Co. Systeme KG
Marcam Engineering GmbH , Materialise NV
3. Основные технологические процессы
Работа некоторых RP-систем основана на фотополимеризации - химическом процессе, при котором жидкая смола (полимер) превращается в твёрдый полимер под воздействия на неё ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.
Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов для построения физических моделей. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, образуя слои, последовательность которых образует физическое тело; технологии спекания порошковых материалов под воздействием тепловых процессов; “склеивание” листовых материалов.
Разновидность процессов быстрого изготовления прототипов соответствует числу производителей. Рассмотрим основные технологии быстрого получения прототипов изделий.
3.1 Стереолитография (SLA)
Основным рабочим элементом стереолитографии (Stereo Lithography Apparatus - SLA) является ультрафиолетовый лазер, который последовательно “вычерчивает” сечения объекта на поверхности ёмкости со светочувствительной смолой. Жидкий пластик отвердевает только там, где его касается лазерный луч. Новый слой жидкого пластика распространяется по отвердевшей поверхности и контур следующего слоя вычерчивается лазером. Процесс повторяется автоматически до полного построения детали.
     
    
Готовые модели выдерживают нагрев до 100°C без изменений фор-мы и размеров. Шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Отверждённый фотополимер легко полируется. Прочность готовых деталей сравнима с прочностью изделий из отвер-ждённых эпоксидных смол.
Ведущим разработчиком технологии SLA и производителем оборудования является компания 3D Systems, основанная в 1986 году. В настоящее время компания является лидером по продажам и производству на рынке RP-систем-стереолитографов и 3D принтеров.
Штаб квартира 3D Systems находится Valencia, California, США. Имеет филиалы в США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Испании и КНР.
Дополнительная информация по SLA:
Оборудование: стереолитографы SLA5000, SLA250, SLA7000, принтер Thermojet
Warwick RP&T Centre, Astro Model Development
3.2 Технология SGC
Технология SGC (Solid Ground Curing) - сложный, многошаговый процесс. С помощью специального тонера на стеклянной пластине создаётся изображение слоя, образующее его “фотомаску” - фотошаблон. Тонкий слой смолы, распределённый по поверхности рабочего стола, и нахо-дящийся над ним фотошаблон слоя, выстраиваются под ультрафиолетовой лампой. Лампа включается на несколько секунд, в результате чего отвердевает слой смолы, фотомаска которого использовалась в этот момент. Неотвердевшая смола удаляется, полости заполняются расплавленным воском, который быстро затвердевает.
Построенный слой фрезеруется для получения гладкой поверхности и точной высоты слоя. Далее деталь вновь подвергается воздействию ультрафиолетового излучения для окончательного формирования слоя. Затем процесс повторяется: создаётся фотошаблон для следующего слоя, по рабочему столу распределяется новый слой жидкой смолы, и т.д.
   
Основным провайдером технологии SGC является компания Cubital, выпускающая установки Solider 5600 и Solider 4600. Точность построения - 0.084 мм., скорость построения - 70 и 120 сек/слой, толщина слоя 0.1 - 0.2 мм.
Компания Cubital была основана в 1987. Системы компании установлены в 14 странах мира. Первая SGC - система была установлена в США в 1991 году. На сегодняшний день около 50 крупных фирм США являются пользователями технологии и оборудования от Cubital.
Оборудование от DTM Corp., Helisys и Stratasys основано на тепловых реакциях и следующих основных технологиях:
· Selective Laser Sintering (SLS-лазерное спекание порошковых материалов), DTM Corp.;
· Laminated Object Manufacturing (LOM-изготовление объектов с использованием ламинирования), Helisys, Inc.;
· Fused Deposition Modeling (FDM-послойное наложение рас-плавленной полимерной нити), Stratasys, Inc..
3.3 Технология SLS
При SLS-технологии (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов) 3D объект создаётся из порошкообразных материалов - пластик, металл, нейлон и керамика - используя процесс спекания при помощи CO2 лазера. Лазерный луч, попадая на тонкий слой порошка, спекает порошковые частицы, которые формируют твёрдую массу, по форме соответствующую CAD-модели и определяющую геометрию детали.
Разработчиком технологии и оборудования являлась DTM Corporation. Внастоящее время провайдером технологии SLS и производителем оборудования является 3D Systems.
  
   
   
Дополнительная информация по SLS:
Warwick RP&T Centre, Astro Model Development
3.4 Технология LOM
LOM-процесс (LOM - Laminated Object Manufacturing - изготовление объектов с использованием ламинирования) также включает в себя лазер, который вырезает контуры сечений по CAD-данным, слой за слоем (рис.11).
CAD - данные поступают в систему управления LOM - станком , где с помощью специального программного обеспечения создаются поперечные сечения детали. Луч лазера вырезает контур сечения в верхнем слое, а затем разрезает области излишнего материала для последующего удале-ния. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термовали-ком и создается новое поперечное сечение, которое затем также вырезает-ся. После того, как все слои будут изготовлены, избыточный материал удаляется вручную. После этого поверхность детали шлифуется , полируется или окрашивается
    
Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, преимуществом LOM моделей является надежность, устойчивость к деформациям и  предельно эффективная стоимость, не зависящая от геометрической сложности (рис.12).
Владельцем технологии LOM и производителем оборудования является CubicTechnologies, Inc. (Helisys, Inc.). Штаб-квартира Helisys Inc. находится в Carson, California, USA. CubicTechnologies производит серии установок LOM - Paper, LOM Plastic, LOM Composite, для различных типов расходного материала.
Дополнительная информация по LOM:
работа LOM-машины в реальном времени (TMF),
Делкам-Урал, Warwick RP&T Centre, корпорация Пумори Инжиниринг , Astro Model Development
3.5 Технология FDM
При FDM-процессе (FDM-Fused Deposition Manufacturing - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0.07 дюйма (1,78 мм), подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния. Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание. Головка выдавливает материал с очень высокой точностью. Последующие слои также ложатся на предыдущие, солидифируются (отвердевают), соединяются друг с другом.
    
    
Разработчиком технологии FDM и производителем оборудования является компания Stratasys. Штаб квартира Stratasys находится в Martin Drive, MN, USA.
Технологии и оборудование Stratasys используют следующие компании:
DaimlerChrysler, Hewlett-Packard, Mercedes Benz St., General Motors, Ford, NASA, Kodak, Boeing, Hammer, Motorola, Xerox, US Navy, Rowenta, Lockheed Martin и др.
Дополнительная информация:
описание технологии FDM, характеристики оборудования, материалов: ресурсы фирмы Solver, Инженерный Центр
4. Принтеры твердотельных объектов (3D Printers)
В своём большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести. Поэтому они заказывают свои модели на фирмах, специализирующихся на этих технологиях или услугах по прототипированию.
Некоторые крупные компании покупают одну или две RP-установки, которые используются различными службами, что приводит к задержке изготовления моделей. Для многих специалистов, которые занимаются концептуальным проектированием и которым необходимо только взглянуть на деталь и затем продолжить разработку, очень важен фактор быстрого, недорогого и простого получения прототипов проектируемых изделий.
Для той трети рынка RP, которой требуются прототипы для визу-альной оценки, начали производиться т.н. “принтеры твердотельных объектов” (Three Dimentional Printer - 3D Printer) - системы, которые строят физические модели движением материала из одной или нескольких струйных головок, подобно обычному принтеру.
Как и традиционные RP-машины, 3D принтеры изготавливают физические модели, основанные на CAD-модели, используя в основном технологии струйного моделирования (воскообразные материалы) и технологии использования для формирования детали порошка, который затвердевает при помощи связывающего вещества на водной основе (схема работы 3D принтера: рис.15).
Обычно 3D принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких прототипов достаточно для визуализации разрабатываемого изделия.
Стоимость таких установок колеблется от 35000, 50000 и до 100000 долларов, тогда как цена традиционных RP-систем начинается с 100000 долларов и доходит до 800000 долларов. Стоимость прототипов, изготовленных на 3D принтерах составляет, от 15 до 35 долларов.
3D принтеры более доступны, так как для их размещения не требуется специальных приспособлений и помещений, они могут размещаться непосредственно в офисе, у рабочего места конструктора. Кроме этого, 3D принтеры не используют вредные материалы или процессы.
Средняя область построения для 3D принтеров составляет куб со сторонами 203 мм.
Рассмотрим 3D-принтеры от Stratasys, ZCorporation и Objet Geometries.
Дополнительная информация:
Warwick RP&T Centre
4.1 Принтер Genisys (Stratasys)
Этот концептуальный моделер (рис.16) изготавливает относитель-но прочные детали, используя разновидность технологии FDM (Fused Deposition Modelling), традиционно используемой системами Stratasys. Этот процесс включает в себя нагревание термопластического материала до температуры плавления и его выдавливание для формирования детали. Толщина каждого слоя составляет 0.014 дюйма (0.36 мм). Genisys предоставляет возможность расположения нескольких деталей одна в другой или одновременное размещение нескольких деталей в рабочей области. Это удобно при изготовлении нескольких вариантов детали в одно и тоже время.
Размер формируемой детали: 305х203х203 мм.
Скорость изготовления: 101 мм/сек.
Программное обеспечение - AutoGen - соответствующим образом позиционирует 3D модель, послойно её разбивает, формирует поддержку (при необходимости) и начинает изготовление простой операцией “point and click” - “укажи и щёлкни мышью”. Точность изготовления 0.356 мм.
Машина стоит в США около 55000 долларов.
4.2 Принтер Z 402 (ZCorporation)
В этом процессе машина распределяет слой порошка по поверхности рабочей ёмкости (рис.17, a ). В качестве строительного материала используется специальный крахмально-целлюлозный порошок. Жидкий клей на водяной основе, поступая из 128-струйной головки, связывает частицы порошка, формируя контур одного сечения модели. Затем рабочая ёмкость опускается на толщину одного слоя; по всему объёму ёмкости, в том числе и по предыдущему слою, распределяется новый слой порошка, инжекционная головка очерчивает контур следующего сечения, и т.д. После окончания построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском.
Скорость является основным отличием этого концептуального моделера. Он изготавливает модели по крайней мере в 10 раз быстрее, чем самые быстрые конкурирующие системы. Деталь может быть изготовлена в период времени от нескольких минут до нескольких часов (рис.18).
“Строительный” объём принтера Z402: 8"x10"x8" (203x254x203 мм); вес: 136 кг.
     
Так как принтер имеет небольшие габариты и вес (рис.17, б), а также не использует в работе вредных материалов, то он может быть установлен непосредственно на рабочем месте конструктора, как и обычный принтер, и при необходимости может быть быстро доставлен в любое место.
Z402 принтер был разработан и запатентован в Массачусетском Технологическом Институте, и лицензирован Z Corporation в 1994.
В настоящее время Z Corporation развивает технологию и выпускает серию серию систем для печати прототипов по CAD-данным - это новые 3D принтеры ZPrinter 310 System, Z406 System и Z810 System - с возможностью цветной печати 3D прототипов.
    
    
   
Характеристики принтера ZPrinter 310 System:
Объём камеры - 8” x 10” x 8” (203 x 254 x 203 mm)
Толщина слоя - .003”-.010” (.076-.254 mm)
Стоимость - €31800
Характеристики принтера Z406 System:
Скорость печати: в цветном режиме - 2 слоя в минуту, в монохромном режиме - 6 слоёв минуту
Цвет - RGB Full Color (Millions of Colors)
Объём камеры - 8" x 10" x 8" (203 x 254 x 203 mm)
Толщина слоя - 0.003"-0.010"(.076-.254 mm)
Характеристики системы Z810 System:
Объём камеры - 20" x 24" x 16" (500 x 600 x 400 mm)
Толщина слоя - 0.003"-0.010"(.076-.254 mm)
Дополнительная информация по Z Corporation и оборудованию:
Прототипы, построенные на принтере Z310: 1, 2, 3, 4
Прототипы, построенные на принтере Z406: 1, 2, 3, 4
Прототипы, построенные на принтере Z810: 1, 2, 3
работа принтера Z402 в реальном времени (TMF)
корпорация Пумори Инжиниринг
Компании, использующие принтеры от Z Corporation:
Ford, Benteler, F1 Racing, Porsche, Lockheed Martin, Mitre, Adidas, Nike, Black & Decker, Robert Bosch и другие.
Образовательные учреждения: Harvard University, University of Hong Kong, Springfield High School, MIT, University of Kentucky.
Штаб квартира Z Corporation расположена в городе Саммервилль, Массачусетс, США. За 1999 была запланирована продажа 100 машин, было продано 167. Z Corporation имеет дистрибьюторов в Великобритании, Франции, Германии, Японии, Гонконге, Корее, Австралии и Сингапуре.
4.3 Принтер Objet Quadra (Objet Geometries)
Семейство установок послойного синтеза пополнилось принципиально новым струйным 3D-принтером фирмы Objet Geometries Ltd (Израиль). Этот прибор при сравнительной простоте и дешевизне обеспечивает изготовление прототипов, сравнимых по качеству со стереолитографиче-скими моделями (рис.19).
Установка Objet Quadra менее требовательна к рабочему помещению и квалификации обслуживающего персонала.
Как и в стерелитографии, модель выращивается из специального светоотверждаемого пластика, но засветка производится ультрафиолето-выми лампами, а "поддержки" формируются из материала, отличного от основного, чем обеспечивается легкость их удаления.
Установка подключается в локальную сеть, по которой в нее передаются данные из CAD-программы.
    
Принцип действия принтера Objet Quadra заключается в следующем:
тело физической модели печатается по компьютерной 3D-модели послойно, специальной струйной головкой, содержащей 1536 сопел, при этом тело модели печатается основным материалом, а вспомогательные элементы ("поддержки") - другим, менее прочным и более рыхлым. Оба материала отверждаются ультрафиолетовыми лампами.
После печати каждого слоя рабочий стол, на котором выращивается модель, опускается на толщину слоя. В завершение процесса вспомога-тельные элементы  вымываются струей воды.
Дополнительная информация по принтерам Objet:
ООО АБ "Универсал"
5. Практическое применение прототипов
Визуализация
Технологии быстрого получения прототипов изделий предоставляет инженерам и дизайнерам свободу творчества при создании дешевых трех-мерных моделей. При желании можно провести чистовую обработку по-верхности прототипа, чтобы заказчики и персонал имели возможность оценить эстетические свойства продукта.
Форма, сборка и функциональность изделий
Прототипы, построенные по технологиям, обеспечивающим доста-точную прочность моделей (LOM, FDM, SLA), удобны в прикладных за-дачах, требующих оценки формы деталей и проверки сборки изделий, так как все изменения можно внести в CAD чертежи до начала производства.
Литье по выжигаемым моделям
Прототипы могут выступать в качестве разовых моделей для точного литья, если они изготовлены из материалов, выгорающих под действием высоких температур (LOM, Z Corporation}. Так как такие объекты не расширяются и не трескаются при обжиге, возможно использование традиционных ме-тодов литья, при которых модели выгорают при заполнении формы рас-плавленным металлом. 
Вакуумное литье пластмасс
Прочность и жесткость прототипов делает их удобными для ваку-умного литья тонких пластмассовых компаундов при малых и средних объёмах производства. Прочность моделей, полученных по технологиям LOM, SLA, FDM, SLS позволяет им выдерживать высокие напряжения
Изготовления пресс-форм
Прототипы, имеющие достаточную прочность, используется для бы-строго изготовления пресс-форм для литья по выплавляемым моделям из парафиново-стеариновых составов при малых и средних объемах произ-водства. Для улучшения качества отливок и увеличения ресурса пресс-форм, на рабочие поверхности можно нанести металлическое покрытие.
Отливка гипсовых форм
Геометрическая стабильность LOM, SLA и других моделей, и свой-ственная им точность, делают возможным их использование для литья гипсовых форм.
Пресс-формы из силиконового каучука
Прототипы часто используются при литье из силиконового каучука для получения полиуретановых или эпоксидных отливок.
6. Критерии оценки RP-систем
Сравнение RP-процессов можно произвести по следующим критериям:
Размер детали
Габариты детали, которую может построить система прототипирования, ограничена размерами “строительной камеры”. В зависимости от машины, размеры моделей распределяются от 8х8х8 дюймов до 32х22х20 дюймов. Однако, большие детали могут быть изготовлены по частям и за-тем собраны в одну деталь.
Скорость
Скорость построения модели зависит от таких факторов, как: размер детали; геометрическая сложность; используемые материалы; программное обеспечение и др.
Материалы
На рынке предлагается целый спектр материалов для прототипов, различающихся по степени прочности и качеству образуемой поверхности. В зависимости от процесса, в прототипировании используются следующие основные материалы; полистирол, термопластик, бумага, акрил, поликарбонат, нейлон, ABS, синтетические смолы и др.
Точность
Точность прототипа (степень соответствия CAD-модели) зависит определяется факторами:
· правильность CAD-файлов;
· разрешение (толщина слоёв);
· свойства материала
Смолы, например, имеют свойство коробиться или усаживаться при высыхании. Другие материалы не обеспечивают достаточное качество поверхности модели для дальнейшего её использования (при изготовлении литьевых форм); или не достаточную прочность.
Стоимость
Разработчики RP-систем в последнее время ориентируются на выпуск недорогих и быстродействующих машин, снижая стоимость и увеличивая объём рабочей камеры.
Таким образом, новые технологии изготовления прототипов позволяют значительно сократить сроки изготовления моделей для визуализа-ции, подгонки, изготовления оснастки и других применений, что обеспечивает:
· сокращение цикла разработки
· улучшение дизайна
· повышение качества
· уменьшение цены продукта и производства
· ускорение внесения изменений в конструкцию
Быстрое изготовление прототипов стало важнейшей частью CAD/CAM - процесса. RP-технологии позволяют пользователям за короткое время проверить данные CAD-систем. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов. Повышается качество материалов и точность прототипов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP-системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора, повышая качество проектирования и сокращая время выпуска новой продукции.
Дополнительная информация:
Диаграмма распределения влияния компаний на рынке систем и технологий быстрого прототипирования
Диаграмма распространения технологий быстрого прототипирования в различных странах
|
