Технологии быстрого прототипирования

 

Технологии быстрого изготовления прототипов (Rapid Prototyping) неразрывно связаны с технологиями быстрой подготовки оснастки (Rapid Tooling) и в настоящее время достигли в развитых странах уровня промышленного использования, занимают лиди-рующее положение в ряду гибких технологических процессов [6, 18]. На рисунке 9 приведена классификация методов быстрого прото-типирования.

 

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping)	è	Стереолитография (SLA — Stereo Lithography Apparatus)
è	Моделирование на основе расплавленного полимера (FDM — Fused Deposition Manufacturing)
è	Послойное спекание материала (SLS — Selective Laser Sintering)
è	Лазерно-компьютерное макетирование (LOM — Laminated Object Manufacturing)
è	Использование принтеров твердотельных объектов (3D Printer)
è	Использование оборудования с ЧПУ

 

Рисунок 9 – Классификация методов быстрого прототипирования

 

Быстрое прототипирование начало развиваться ускоренными темпами в 1980-х годах. Его технологическую базу составляют технологии послойного формообразования. Основное отличие процессов быстрого прототипирования от процессов механообработки состоит в том, что материал при изготовлении добавляется, а не снимается. В настоящее время существуют различные направления и подходы к реализации технологий быстрого прототипирования. По используемым материалам их можно разделить на методы, применяющие жидкости (фотополимеры, электролиты, вода), порошки (спекание однородных или двухкомпонентных составов), твердые материалы (пластики, воски, металлы), листовой материал (ламинированная бумага, пластик), газы. Часть методов находится в стадии исследовательских разработок, часть имеет коммерческое применение. Наибольшее распространение получили следующие технологии: стереолитография, моделирование на основе расплавленного полимера, послойное спекание материала, лазерно-компьютерное макетирование, использование оборудования с ЧПУ.

Во всех случаях начальным этапом проектирования является создание трехмерной (пространственной) геометрической модели изделия в используемой CAD-системе. Далее следует выбор метода обработки, который зависит от технологического оборудования, имеющегося в распоряжении предприятия. Во многих CAD-системах имеется возможность сохранить файл в специальном формате для быстрого прототипирования, например, формат STL (стерео-литография).

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 затем собраны в одну деталь.

Скорость построения модели зависит от таких факторов, как: размер детали, геометрическая сложность, используемые материалы, программное обеспечение и др.

В зависимости от процесса, в прототипировании используются следующие основные материалы: полистирол, термопластик, бумага, акрил, поликарбонат, нейлон, синтетические смолы и др.

Точность прототипа достигает сотых долей миллиметра и определяется следующими факторами:

· правильность CAD-файлов;

· разрешение (толщина слоёв);

· свойства материала.

Разработчики RP-систем в последнее время ориентируются на выпуск недорогих и быстродействующих машин, снижая стоимость и увеличивая объём рабочей камеры.

Основные области применения быстрого прототипирования:

· визуальная оценка проекта;

· функциональная оценка (проверка собираемости узлов и механизмов, кинематическая, аэродинамическая или другая проверка);

· изготовление малых партий изделий методами быстрой подготовки технологической оснастки;

· изготовление моделей для точного литья (из материалов, выгорающих под действием высоких температур), моделей для вакуумного литья пластмасс;

· изготовление пресс-форм и гипсовых форм.

Система производства на основе применения технологий быстрого прототипирования обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными производственными системами, которые используются в опытном и экспериментальном производстве:

· сжатие процесса изготовления изделия во времени и в пространстве, позволяющее на одном комплексно-автоматизированом участке реализовать сквозную технологию проектирования, констру-ирования и изготовления изделий, оперативно изготавливать изделия по заказу;

· снижение производственных издержек при запуске в производство новой продукции, в том числе за счет сокращения длительности конструкторско-технологической подготовки произ-водства, снижения себестоимости производства изделий, уменьшения производственных и складских помещений.

Ниже приведено краткое описание наиболее распространенных процессов быстрого прототипирования.

Рисунок 10 - Стереолитографический аппарат

 

Основным рабочим элементом стереолитографического аппарата (рисунок 10) 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 формы и размеров. Шероховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Отверждённый фотополимер легко полируется. Прочность готовых деталей сравнима с прочностью изделий из отверждённых эпоксидных смол.

 

 

Рисунок 11 – FDM-процесс

 

При FDM-процессе (рисунок 11) термопластичный модели-рующий материал (нить), 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.

Изготовление тел с использованием ламинирования (рисунок 12).

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 удаления. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термоваликом и создается новое поперечное сечение, которое затем также вырезается. После того, как все слои будут изготовлены, избыточный материал удаляется вручную. После этого поверхность детали шлифуется, полируется или окрашивается.

 

Рисунок 12 – LOM-процесс

 

 

 

Рисунок 13 – Изготовление модели на 3D-принтере

 

При использовании 3D-принтеров (рисунок 13), компьютерная 3D-модель (CAD-модель) послойно печатается специальной струйной головкой, содержащей порядка 1500 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 вспомогательные элементы вымываются струей воды. На рисунке 14 показаны примеры моделей, изготовленных на 3D-принтере.

 

Рисунок 14 – Примеры моделей, изготовленных на 3D-принтере

 

При лазерном спекании порошковых материалов (рисунок 15)
3D объект создаётся из порошкообразных материалов (пластик, металл, нейлон и керамика), используя процесс спекания при помощи лазера. Лазерный луч, попадая на тонкий слой порошка, спекает порошковые частицы, которые формируют твёрдую массу, по форме соответствующую CAD-модели и определяющую геометрию детали.

 

Рисунок 15 – Установка для лазерного спекания

Вопросы для самопроверки

 

1. На каких принципах основывается методология применения ЭВМ при проектировании?

2. Какие виды проектирования с использованием ЭВМ различают?

3. В чем различие автоматизированного и автоматического проектирования?

4. Достижения каких технических дисциплин обусловили возможность выполнения компьютерного проектирования?

5. По каким причинам возникает необходимость применения ЭВМ в ТПП?

6. Что является объектом автоматизации в ТПП?

7. Какие мероприятия должны предшествовать автоматизации систем ТПП?

8. Какие задачи были решены на первом этапе автоматизации машиностроительного проектирования?

9. По какой схеме обычно использовали ЭВМ на начальном этапе развития АП?

10. Когда в АП появились и заработали первые графические системы?

11. Когда был создан первый язык программирования для станка с ЧПУ?

12. Какие компьютерные системы инженерных расчетов заняли центральное место в автоматизации машиностроительного проекти-рования?

13. Какие задачи решались на втором этапе автоматизации машиностроительного проектирования?

14. Чем характеризуется третий этап развития систем автома-тизированного проектирования?

15. Что представляет собой САПР (по ГОСТ 22487-77)?

16. Из каких подсистем состоит САПР?

17. Какие виды обеспечения выделяют в САПР?

18. Какие разновидности САПР выделяют в области общего машиностроения?

19. Каковы общие принципы (аспекты) создания САПР?

20. Каковы характеристики современных САПР?

21. Какие существуют режимы функционирования САПР?

22. Какие аппаратные конфигурации САПР различают?

23. Что относят к программным средствам САПР?

24. Что представляют собой CAD-системы?

25. Что представляют собой CAM-системы?

26. Что представляют собой CAE-системы?

27. Что представляют собой PDM-системы?

28. Какие уровни CAD/CAM/CAE/PDM-систем различают?

29. Что связывается с понятием «виртуальная инженерия»?

30. Для чего остаются нужны системы подготовки чертежей?

31. Какова роль CAD-систем в процессе проектирования?

32. В чем состоит технология параметрического моделирования?

33. Что представляет собой каркасное моделирование?

34. В чем особенности поверхностного моделирования?

35. Что представляет собой твердотельное моделирование?

36. Какие основные функции поддерживаются в системах геометрического моделирования?

37. Почему важна история создания модели?

38. Как осуществляется редактирование модели?

39. Что понимают под гибридным моделированием?

40. В чем основные преимущества использования при проектировании систем инженерного анализа (CAE)?

41. В каких случаях CAE-анализ может быть полезен инженеру технологу?

42. Какие виды анализа используются в CAE-системах?

43. Каким образом в CAE-системах создается геометрическая модель?

44. Каково математическое обеспечение CAE?

45. В чем суть метода конечных элементов?

46. Какие данные необходимы для расчета характеристик изделия, рассматриваемого как физическое поле?

47. Какие возможности представления решения существуют в системах?

48. В чем суть числового программного управления оборудо-ванием?

49. Какие основные термины используются при проектировании ТП для станков с ЧПУ?

50. Что включает описание станка?

51. Что представляет собой контроллер типа CNC?

52. Каковы основные способы разработки программ?

53. Каков примерный порядок разработки технологии обработки на станке с ЧПУ в CAM-системе?

54. Что связано с понятием конструктивного элемента (техноло-гические элементы формы) детали?

55. Как описывается технологический переход для станка с ЧПУ?

56. Какие бывают станочные циклы при обработке деталей на станке с ЧПУ?

57. Что представляют собой стратегии обработки на станках с ЧПУ?

58. Какие существуют схемы врезаний инструмента на станках с ЧПУ?

59. Как обрабатываются конструктивные элементы с непрямыми стенками при 2,5-координатном фрезеровании?

60. Что такое быстрое прототипирование?

61. Что является исходной информацией для оборудования быстрого прототипирования?

62. Каковы основные характеристики изделий, изготавливаемых методами быстрого прототипирования?

63. Какова область применения быстрого прототипирования?

64. В чем преимущества быстрого прототипирования по сравнению с традиционными методами изготовления опытных образцов?

65. Что такое стереолитография?

66. Что представляет собой моделирование на основе расплавленного полимера?

67. Каков принцип изготовления тел с использованием ламинирования?

68. Каков принцип использования 3D-принтеров твердотельных объектов?

69. Что представляет собой процесс послойного лазерного спекания порошковых материалов?