Придайте вашей идее форму, или Как быстро, качественно
и недорого изготавливать модели-прототипы новых изделий 
Радислав Бирбраер, Игорь Мамонтов, Андрей Колмаков, Вячеслав
Столповский
Для чего необходимы модели-прототипы
Что такое быстрое прототипирование
Технология WaterWorks — неограниченные возможности моделирования
Широкий модельный ряд установок — возможность оптимального выбора
Технические характеристики установок быстрого прототипирования фирмы Stratasys, Inc.
Stratasys, Inc. — один из лидеров
Для чего необходимы модели-прототипы
Путь от идеи до изделия должен быть максимально коротким. Оперативно реагировать
на рыночный спрос выпуском качественных изделий — значит, обеспечить своему
предприятию конкурентные преимущества и стабильный успех.
В процессе разработки новой продукции всегда возникает необходимость в опытных образцах, или моделях-прототипах изделия, его отдельных деталей и узлов. Имея на руках модели-прототипы:
- ·маркетинговые и рекламные службы предприятия могут эффективно проводить исследования рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы будущего изделия, а также использовать их в рекламных кампаниях;
- ·дизайнеры и конструкторы могут легко оценивать внешний вид, эргономику разрабатываемого изделия, проверять собираемость и функциональность его конструкции, внося необходимые изменения еще до запуска изделия в производство;
- ·технологи могут использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления традиционной технологической оснастки (например, литьевой оснастки), а также в технологиях быстрого изготовления опытных партий (например, для изготовления силиконовых форм);
- ·патентные бюро предприятия получают преимущества во времени при оформлении патентов на новые разработки и т.д.
Изготавливают прототипы по-разному: на одних предприятиях детали фрезеруют
из пластмасс, мягких металлов или дерева на станках с ЧПУ, на других — полагаются
на золотые руки умельцев-модельщиков. Все это требует использования дорогостоящего
оборудования, высококвалифицированного ручного труда и, как правило, больших
временных затрат. Сегодня есть другая возможность быстро, качественно и недорого
изготавливать модели новых изделий, их узлов и деталей. Речь идет о технологиях
быстрого прототипирования.
 |
|
Что такое быстрое прототипирование
Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) — это процесс послойного построения
физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией CAD-модели. Основное
отличие этой технологии от традиционных методов изготовления моделей заключается
в том, что модель создается не отделением «лишнего» материала от заготовки,
а послойным наращиванием материала, составляющего модель, включая входящие в
нее внутренние и даже подвижные части. Модели, выполненные по технологиям RP,
могут изготавливаться из различных материалов (в зависимости от применяемой
в оборудовании технологии): из пластиков, жидких смол, специальных порошков,
различных листовых материалов (бумаги, алюминия и др.). Процессы построения
в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и
сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни
и недели, как это было при создании моделей традиционными методами. Технологии,
предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу востребованы и взяты
на вооружение многими промышленными предприятиями. Быстрое прототипирование
позволяет предприятиям значительно снизить временные и финансовые затраты на
подготовку изделия к производству. Оно дает возможность существенно сократить
сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ, работ по изготовлению
технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.
Впервые технология RP была реализована в конце 80-х годов, когда американская компания 3D Systems вывела на рынок свою первую установку SLA (Stereo Lithography Apparatus), создающую модели методом послойного отверждения фотополимера под воздействием луча лазера. С этого же времени различные фирмы стали принимать участие в разработке оборудования для прототипирования: одни из них усовершенствовали метод, разработанный 3D Systems, другие предложили свои оригинальные и эффективные технологии. В качестве примера можно привести американскую компанию Stratasys, Inc., предложившую в 1992 году технологию FDM (Fused Deposition Modeling): построение модели путем послойной укладки разогретой полимерной нити. Модели-прототипы, выполненные по этой технологии, характеризуются отличным сочетанием прочности и точности изготовления.
Но наряду с преимуществами у RP-технологий есть и ряд недостатков. Вследствие
того что их принцип состоит в послойном построении модели, возникает необходимость
в создании специальных поддерживающих элементов (поддержек) для выступающих
(или нависающих) частей модели. Во-первых, это увеличивает время, затрачиваемое
на подготовку процесса построения модели, так как программное обеспечение рассчитывает,
где необходимо поместить поддержку. Во-вторых, после окончания построения следует
трудоемкий процесс отделения материала поддержки от тела модели, что неизбежно
сопровождается риском (зачастую не зависящим от опыта работников, осуществляющих
этот процесс) повреждения модели и, как правило, даже при положительном исходе
требует последующей обработки поверхности. В-третьих, необходимость использования
поддержек и трудности в их последующем удалении могут наложить некоторые ограничения
на свободу конструирования изделия.
К недостаткам RP-оборудования также можно отнести и использование в некоторых из них дорогостоящих и не всегда безопасных технологий (например, лазеров, химических процессов и т.п.).
Однако есть технологии, разработчикам которых удалось успешно решить проблемы, связанные с этими недостатками. В этой статье мы расскажем о достоинствах и преимуществах моделей, о технологии и оборудовании для их изготовления одного из лидеров в области быстрого прототипирования — компании Stratasys, Inc.
|
|
Принципы технологии FDM
Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM, используемой в установках фирмы Stratasys, заключается в послойной укладке разогретой полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в CAD-системе. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Insight, под управлением которого работают установки FDM. Программа оптимально ориентирует модель, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели.
Головка установки выстраивает геометрию модели-прототипа, выдавливая полимерную
нить через фильеру, нагретую до 270 °С. Вторая фильера выстраивает поддержку.
Слои наращиваются один за другим вплоть до завершения построения модели.
Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки (размеры рабочих зон всех установок фирмы Stratasys приведены в таблице).
|
|
Технология WaterWorks — неограниченные возможности моделирования
Если для построения модели-прототипа использовалась поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне. Технология использования водорастворимой поддержки WaterWorks реализована в установках FDM2000, FDM3000 и FDM Maxum. Модель, изготовленная с применением этой технологии, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, при этом все, даже самые мельчайшие детали сохраняются. Применение технологии WaterWorks предоставляет неограниченные возможности моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями.
|
|
Скорость и простота изготовления моделей. Безопасные технологии, экологически чистые моделирующие материалы. Простота обслуживания установок
Простота технологии моделирования прототипов на установках фирмы Stratasys
позволяет затрачивать на их изготовление считанные часы (в зависимости от размера
модели). После окончания процесса моделирования изделие можно практически сразу
использовать: ему не требуется последующая длительная доработка. Процесс моделирования
не требует контроля со стороны оператора, поэтому установки могут работать в
ночное время и в выходные дни.
Безопасные технологии, экологически чистые моделирующие материалы, используемые при изготовлении моделей-прототипов на оборудовании фирмы Stratasys, не требуют ни специальных лабораторий, ни создания особых условий для их эксплуатации (в отличие, например, от установок, использующих лазер). Их можно размещать непосредственно в помещениях конструкторских отделов. Все это выгодно отличает технологии, используемые в оборудовании фирмы Stratasys, от технологий быстрого прототипирования, предлагаемых другими фирмами, при которых процесс доводки моделей требует значительных временных затрат, лабораторий, оборудованных специальными системами вытяжки и охлаждения.
Установки фирмы Stratasys компактны, просты и недороги в обслуживании; их механические приводы рассчитаны на безотказную работу в течение 10-15 лет. Для сравнения приведем пример: установкам, использующим в своей работе лазер, требуются ежеквартальные дорогостоящие профилактические работы по наладке и ежегодная замена лазера (стоимостью около 10 тыс. долл.).
|
|
Точность
Точность моделей-прототипов, изготовленных на установках фирмы Stratasys, достигает 0,127 мм, что сравнимо с точностью пластмассовых деталей, изготовленных в обычных инжекционных пресс-формах.
|
|
Возможность использования в одной установке различных моделирующих материалов. Прочность и долговечность моделей
Основным материалом, используемым в установках фирмы Stratasys для изготовления прототипов, является ABS-пластик (сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола). Этот прочный, жесткий материал широко применяется в различных отраслях промышленности. Другой моделирующий материал — так называемый медицинский ABSi-пластик (имеющий сертификат Министерства здравоохранения США на использование изготовленных из него моделей в медицинской промышленности). Он имеет улучшенные по сравнению с обычным ABS-пластиком характеристики, применяется для изготовления индивидуальных медицинских приборов и устройств, работающих в стерильной операционной зоне, так как выдерживает стерилизацию гамма-излучением до 5 Мрад.
В установке FDM Titan для моделирования применяются еще два материала: полифенилсульфон
и поликарбонат. Детали, изготовленные из них, отличаются большой прочностью
(материалы вдвое прочнее ABS-пластика) и высокой функциональностью. Кроме этих
моделирующих материалов в установках фирмы Stratasys используются эластомер
и литьевой воск.
Модели, изготовленные из ABS-пластиков, полифенилсульфона и поликарбоната, сохраняют свои геометрические параметры независимо от уровня влажности, влияния ультрафиолетового или магнитного излучения в течение неограниченного времени. Они устойчивы к влиянию химически агрессивных сред (в том числе кислот, бензина и масел) и к нагреву: модели из ABS-пластиков сохраняют прочность при нагреве до 93 °С, из поликарбоната — до 125°С, а из полифенилсульфона — до 207°С. Прочность моделей из ABS-пластика сравнима с прочностью пластмассовых деталей, полученных инжекционным способом, и позволяет собирать из них конструкции для проверки функциональности. А высокая прочность поликарбоната и полифенилсульфона позволяет использовать детали, изготовленные из них, в действующих механизмах-прототипах — даже на работающем двигателе автомобиля!
|
|
Широкий модельный ряд установок — возможность оптимального выбора
Разнообразие модельного ряда установок фирмы Stratasys дает возможность сделать оптимальный по производительности, материалам и размерам изготовляемых моделей-прототипов выбор оборудования.
Так, например, установка Genisys XS является 3D-принтером. На ней можно просто и быстро «распечатать» прототип из полиэстрового компаунда для оценки внешнего вида и общей идеи изделия, для сравнения нескольких вариантов изделия, для проведения маркетинговых исследований и т.д. Установка компактна, проста в работе и обслуживании и будет отличным помощником дизайнерам и специалистам маркетинговых служб.
Установка Prodigy сочетает в себе простоту использования и стоимость 3D-принтера с высокой точностью и функциональностью изготавливаемых моделей — качествами, характерными для промышленных систем прототипирования. Применение специальных быстросменных картриджей с моделирующими материалами и наличие функции автоматической загрузки значительно упрощают обслуживание установки.
Установки FDM2000 и FDM3000 являются наиболее популярными (а значит, и наиболее продаваемыми) установками в модельном ряду фирмы Stratasys. Они универсальны в отношении выбора моделирующих материалов и отличаются друг от друга размерами рабочей зоны (см. таблицу). На них можно изготавливать прототипы изделий и деталей, используемых в приборо- и автомобилестроении, в производстве компьютерной и бытовой техники, в медицине и т.д.
Установка FDM Titan является новейшей разработкой фирмы Stratasys и отличается
большим выбором применяемых в ней моделирующих материалов с высокими прочностными
характеристиками, а также удобством в эксплуатации. Удобство обеспечивается
благодаря автоматизации технологических процессов, среди которых — функция автоматической
калибровки моделирующей головки, технология замены расходных материалов, не
требующая прерывания процесса построения модели, и др.
Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны установки, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивать). Если необходимо изготавливать в основном крупные модели-прототипы, то рационально применять установки FDM8000 и FDM Maxum с большими размерами рабочих зон. FDM Maxum является самой производительной в модельном ряду фирмы Stratasys (скорость моделирования на ней в два раза выше, чем на установке FDM8000) и обладает самой большой рабочей зоной.
|
|
Технические характеристики установок быстрого прототипирования фирмы Stratasys, Inc.
Установки для быстрого изготовления моделей-прототипов фирмы Stratasys, Inc. активно используются ведущими мировыми производителями в автомобильной, авиационной, медицинской, радиоэлектронной промышленности, производителями бытовой техники, помогая значительно сократить время, необходимое для обновления модельного ряда продукции, и обеспечивая успех в конкурентной борьбе.
Среди российских предприятий, по достоинству оценивших прототипирование на
установках фирмы Stratasys, — ГУП «Ижевский механический завод», ОАО «Чебоксарский
приборостроительный завод “ЭЛАРА”», ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева»,
Московский центр детской челюстно-лицевой хирургии, ПО «ТОЧМАШ» (г.Владимир),
ОАО «ГАЗ» (г.Нижний Новгород), ОАО «ЛОМО» (г.Санкт-Петербург) и др.
Установки фирмы Stratasys используются в инжиниринговой фирме «Промышленные компьютерные технологии» (г.Нижний Новгород), АО «Красный пролетарий» (г.Москва), ОАО «Владимирский завод “АВТОПРИБОР”», КБ «Пеленг» (г.Минск).
|
|
СОЛВЕР предлагает
Инженерно-консалтинговая фирма СОЛВЕР (SOLVER) является официальным представителем компании Stratasys, Inc. в России. Специалисты СОЛВЕР прошли обучение и сертифицированы в фирме Stratasys, Inc. Фирма готова осуществить поставку, запуск, гарантийное и послегарантийное обслуживание оборудования FDM, а также обучение ваших специалистов.
Для того чтобы вы сами смогли оценить качество моделей, изготовленных по технологии FDM, специалисты СОЛВЕР готовы изготовить тестовую деталь-прототип по вашему STL-файлу.
«САПР и графика» 2'2002
