Применение современных компьютерных технологий для быстрого изготовления прототипов изделий. Актуальность технологии быстрого прототипирования

В процессе разработки новой продукции часто возникает не­обходимость в получении наглядных образцов, или так называе­мых моделей-прототипов изделия, его отдельных узлов и деталей. Макет изделия, который можно взять в руки намного нагляднее, чем его фотореалистическое изображение на экране монитора. Цель изготовления реальной физической модели спроектиро­ванного конструктором: выявить неточности до начала серийного производства, выполнить доработку и провести некоторые функ­циональные испытания будущего изделия.

Для проектировщиков проблема изготовления первого физи­ческого образца изделия или детали сложной формы является «уз­ким местом», поскольку необходимо разработать технологию их изготовления, спроектировать и изготовить необходимую оснастку. Традиционный способ получения физических моделей будущих изделий — литьем, штамповкой, на металлорежущих станках или вручную из легко обрабатываемых материалов: пенопласта, дерева, воска, требует значительных временных и материальных затрат. 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.

В конце XX века были разработаны различные процессы бы­строго прототипирования (изготовления) образцов деталей и из­делий путем послойного наложения композитного материала. Основное преимущество быстрого прототипирования состоит в том, что прототип изготавливается автоматически по чертежу детали. Отпадает необходимость в разработке технологического процесса обработки и подборе оборудования.

Технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping — RP) является частью идеологии, цель которой — сократить сроки выпуска нового изделия: от момента появления идеи и начала проектирования до выпуска новой продукции на рынок (Time-Compression Engineering). Она предусматривает формирование трехмерных объектов не за счет изменения формы заготовки, как это происходит при ковке, штамповке, прессовании, или путем удаления материала с заготовки, как это имеет место при обработке на металлорежущих станках, а за счет послойного от­вердевания поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно затвердевающих сло­ев. Другие названия этого метода подтверждают его компьютер­ную основу: настольное производство (Desktop Manufacturing), трехмерный принтер (3D printing) и т. п.

Работа систем быстрого прототипирования основана на хи­мических процессах, обеспечивающих превращение жидких по­лимеров в твёрдый материал под воздействием излучения. На изготовление опытных образцов по электронным данным ком­пьютерной CAD-модели без применения специальной техноло­гической оснастки требуются часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов. Путь от дизай­нерской идеи и конструкторской проработки до готовой модели сокращается до нескольких часов или дней.

Использование прототипирования на 50-80% сокращает сроки подготовки производства, позволяет практически полно­стью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. По сравне­нию с известными методами получения моделей изделий, суще­ствовавшими в середине XX в., появление систем быстрого про­тотипирования было переворотом в технологии. Их основной недостаток — ограниченность выбора материалов. Поскольку станки с ЧПУ способны обра­батывать большую часть до­ступных промышленных мате­риалов, включая металлы, то физические объекты, изготов­ленные методом быстрого про­тотипирования, используются главным образом в качестве прототипов или шаблонов для других производственных про­цессов.

На макете можно проверить возможность установки раз­личных компонентов, эргоно­мику разрабатываемого изде­лия. Маркетинговые и рекламные службы предприятия могут эффективно проводить анализ рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы будущего изделия. Кроме того, прототип помогает бо­лее точно определить стоимость изготовления будущего изделия.

Специалисты, отвечающие за подготовку производства, име­ют возможность на виртуальном прототипе изделия смоделиро­вать производственные процессы и заранее предотвратить воз­можные проблемы. Объемную модель можно использовать для изготовления оснастки при различных видах точного литья, при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки. Прототипы изделий снижают себестоимость продукции, особен­но в мелкосерийном или единичном производстве.

Визуализация физического объекта (детали) способствует уменьшению затрат на подготовку производства. Модели само­лета или лопаток турбины, полученные методом быстрого прото­типирования, можно использовать для аэрогидродинамических испытаний.

Технологии быстрого прототипирования. В настоящее время существует несколько направлений и подходов, позволяющих реализовать технологии быстрого про­тотипирования. По используемым материалам их можно раз­делить на методы, применяющие жидкости (фотополимеры, электролиты, воду), порошки (спекание однородных или двух-компонентных составов), твердые материалы (пластики, жид­кие смолы, специальные порошки, воски, металлы), листовой материал (ламинированную бумагу, пластик), газы. Процессы построения образцов автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели деталей слож­ной конфигурации. Часть вышеназваных методов находится в стадии исследовательских разработок, часть имеет коммерчес­кое применение.

Сейчас в разных странах используются десятки тысяч уста­новок, позволяющих изготовить прототипы изделий практиче­ски любой степени сложности. В своем большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогосто­ящими установками. Крупные компании, как правило, эксплуа­тируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести, однако габариты и цена с каждым днём падают, а производительность установок и качество моделей растёт.

Ниже рассмотрены следующие технологии послойного полу­чения твердой объемной модели:

1) локальное изменение фазового состояния жидких фото-полимеризующихся композиций и их переход в твердое состояние под воздействием ультрафиолетового лазерно­го излучения (лазерная стереолитография);

2) засветка слоя фоточувствительного полимера;

3) лазерное спекание легкоплавкого порошка;

4) технология FDM (Fused Deposition Modeling) - послой­ная укладка выходящей из фильера полурасплавленной полимерной нити;

5) послойное изготовление модели системой, управляемой от персонального компьютера (3D-принтер).

Лазерная стереолитография. Лазерная стереолитография является одним из наиболее рас­пространенных методов получения точных и сложных моделей опытных образцов по их чертежам в результате химического про­цесса, при котором жидкий полимер превращается в твердый под воздействием ультрафиолетового излучения или излучения види­мой части спектра в автоматическом режиме без участия челове­ка. Слово «стерео» подчеркивает объемный характер процесса, который был предложен в 1984 г. Компьютерный образ объекта рассекается на плоские тонкие (100—250 мкм) слои в поперечном сечении с помощью специаль­ной программы, и рассчитывается траектория движения сфоку­сированного лазерного луча (с учетом его диаметра), которая вос­производит на поверхности жидкого полимера контуры сечения и заполняет (штрихует) его внутренние области. Толщина каждо­го слоя зависит от геометрии детали и разрешающей способнос­ти оборудования по вертикали. Она может составлять сотые доли миллиметра. Лазерная стереолитография охватывает практически все от­расли материального производства — от медицины до тяжелого машиностроения. Она предусматривает следующие стадии полу­чения опытного образца:

- проектирование на компьютере чертежа на основе объ­емной (3D) модели с последующим разбиением ее на тонкие поперечные слои с заданным шагом, величина которого равна нескольким сотым долям миллиметра;

- создание файла на основе объемной (3D) модели черте­жа в формате STL (этот формат данных поддерживают пакеты AutoCAD, EUCLID, CATI A, Power Solution и дру­гие системы). Формат STL (STereoLithography — объем­ная литография) получил широкое распространение как формат передачи данных на установки быстрого прото­типирования. При экспорте в STL можно назначить ка­чество модели (количество и параметры треугольной сет­ки) и, таким образом, получить наилучший результат;

- быстрое получение прототипа модели на специальных стереолитографических установках. Ванну лазерной установки заполняют жидкой композицией. Опорная платформа, на которой «выращивается» деталь, устанав­ливается ниже поверхности фотополимера на расстоянии, равном толщине одного слоя. Луч лазера перемещается по заданной про­грамме при помощи зеркал отклоняющей системы и воспроиз­водит первое сечение детали. В результате фотополимеризации фазовое состояние полимера в облученной области изменяется. Он переходит из жидкого состояния в твердое. Каждый полимеризующийся слой имеет свою сложную кон­фигурацию. Используя разные способы облучения, можно полу­чить полимерную пленку (плоскость), трек (линию) или керн (точку). После формирования первого слоя опорная платформа, ко­торая находится в емкости с жидкой фотополимерной компози­цией, опускается в вертикальном направлении на расстояние, равное толщине следующего слоя. Обычно шаг перемещения стола находится в пределах 0,025-0,3 мм. Затем на поверхности фотополимера воспроизводится изображение, соответствующее второму сечению детали. На некоторых слоях отдельные элемен­ты могут «повиснуть» о воздухе, поскольку они крепятся к верх­ним слоям. Чтобы избежать этой проблемы, в 3D-модели предва­рительно строят систему поддержек на каждый такой элемент.

Процесс выполняется до тех пор, пока не будет полностью сформирована деталь. Затем платформа поднимается. Деталь снимают с платформы, с ее поверхности удаляют остатки жидко­го фотополимера и подвергают мощному ультрафиолетовому из­лучению для обеспечения заданной прочности. Поскольку послойно выращиваемый объект находится в жидкости, его необходимо жестко зафиксировать на платформе, чтобы избежать смещений и даже отрыва от платформы в резуль­тате воздействия гидродинамических сил, которые появляются при движении платформы с выращиваемой деталью в жидкости, или смещения центра масс выращиваемого объекта. Механичес­кие характеристики (прочность, упругость) тонкой полимерной пленки ограничивают допустимую в процессе послойного изго­товления детали величину выступов.

Скорость создания детали определяется вязкостью жидкой композиции и энергией, необходимой для ее затвердевания, а также глубиной, на которой мощность лазера сокращается примерно на одну треть по сравнению с мощностью на внешней по­верхности. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряжений, которые действуют вотдельных слоях детали и приводят к ее деформации.

В связи с тем, что сфокусированное излучение имеет размеры в несколько десятков микрометров и скорость его перемещения может достигать 1 м/с, можно говорить о создании высокоточ­ной сверхскоростной компьютерной технологии воспроизведе­ния формы пространственных объектов.

По координатам ограничением поточности служат такие параметры, как размер пятна лазерного излучения, динамическая точность позиционирования пятна и характеристика материала. Минимальная толщина стенки составляет 0,2-0,1 мм, программ­ная точность воспроизведения - 0,01 -0,005 мм. Усадка и деформа­ция материала при правильном подборе параметров процесса не превышают 0,1 мм. Следует учитывать, что уменьшение толщины создаваемого слоя ведет к увеличению времени работы и, следова­тельно, увеличению стоимости модели. Обычно стремятся вы­брать оптимальную для конкретной модели толщину слоя.

Размеры выращиваемых деталей ограничены, главным обра­зом, габаритами ванны для полимерной композиции, которые обычно не превышают 500 мм. При этом можно склеить большую деталь из нескольких элементов, полученных отдельно, обрабо­тать и покрасить.

После изготовления прототип помещают в печь для оконча­тельного отвердевания и сушки. Затем образец полируют и шли­фуют. Прочность объектов, созданных с применением лазерных технологий для быстрого изготовления прототипов, позволяет им выдерживать сравнительно высокие напряжения. Готовые мо­дели при нагреве до 100 °С сохраняют форму и размеры. Шеро­ховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм.

Применяемые в лазерной стереолитографии материалы об­ладают хорошей прочностью, прозрачностью, влагостойкостью, легко обрабатываются и окрашиваются. Качество поверхностей без доводки хорошее. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряже­ний, которые действуют в отдельных слоях детали и приводят к ее деформации. Например, в установках быстрого прототипирова­ния используются композиты PC-ABS из смеси поликарбоната (PC) и пластика (ABS). Эти композиты ценят за то, что они обла­дают жесткостью и высокой температурной стойкостью поликар­боната и вязкостью, свойственной ABS.

Число установок, работающих по этой технологии, насчиты­вает десятки тысяч и быстро растет. Многие крупные компании эксплуатируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров.