Рекламодатель: ЗАО «Топ Системы»

ИНН 7726601967 ОГРН 1087746953557

Рекламодатель: ООО НТЦ «АПМ»

ИНН 5018019971 ОГРН 1035003357366

Рекламодатель:
ООО «С3Д Лабс»

ИНН 7715938849 ОГРН 1127747049209

3 - 2004

Быстрое прототипирование из ABS в современном литейном производстве точных изделий

Радислав Бирбраер, Андрей Колмаков, Вячеслав Столповский

Что такое быстрое прототипирование

Технология FDM

Быстрое прототипирование в литейном производстве

Литье в оболочковые формы по моделям из ABS

Выводы

СОЛВЕР предлагает

Путь от идеи до готового изделия должен быть максимально коротким. Оперативно реагировать на рыночный спрос выпуском качественных изделий — значит обеспечить предприятию конкурентные преимущества и стабильный успех.

В процессе разработки новой продукции всегда возникает необходимость в опытных образцах, или в так называемых моделях-прототипах изделия, его отдельных деталей и узлов.

Модели-прототипы требуются различным службам предприятия:

• маркетинговые и рекламные службы могут эффективно проводить исследования рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы разрабатываемого изделия, а также использовать их в рекламных кампаниях;

• дизайнеры и конструкторы могут легко оценивать варианты внешнего вида, эргономику разрабатываемых изделий, проверять собираемость и функциональность конструкции, внося необходимые изменения еще до запуска изделий в производство;

• технологи могут использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления традиционной технологической оснастки (в частности, литьевой), а также в технологиях быстрого изготовления опытных партий (например, при использовании силиконовых форм или методов напыления металлов);

• патентные бюро получают преимущество 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. Но все эти методы требуют задействования производственных мощностей, использования 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 — это технологии быстрого прототипирования.

Что такое быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) — это послойное построение 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 материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части. Модели, выполненные методом 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 использовании традиционных методов.

Технологии, предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу же востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями. Применение быстрого прототипирования обеспечило им значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку новых изделий к производству, позволив 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 отвердевания фотополимера под воздействием луча лазера. Начиная с этого времени различные фирмы принимали участие в разработке оборудования для прототипирования: одни из них совершенствовали метод, разработанный 3D Systems, другие предлагали свои оригинальные и эффективные технологии.

Например, американская компания Stratasys, Inc. в 1988 году предложила технологию FDM, а 1992-м вывела на рынок оборудование, позволяющее быстро изготавливать пластмассовые прототипы. Это оборудование для изготовления прототипов характеризуется отличными техническими характеристиками: точностью изготовления моделей, производительностью, гибкостью выбора моделирующих материалов, а широкий модельный ряд позволяет применять эти устройства как на крупных предприятиях, так и на небольших фирмах.

Новейшая установка фирмы Stratasys FDM Vantage

Новейшая установка фирмы Stratasys FDM Vantage

В начало В начало

Справка

Сегодня Stratasys, Inc. — один из лидеров в производстве оборудования быстрого прототипирования. Согласно отчету компании Wohlers Associates, в 2002 году Stratasys произвела 31% всех установок быстрого прототипирования в мире, что является самым большим показателем среди конкурентов.

Технология FDM

Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке расплавленной до полужидкого состояния полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Insight, которое автоматически оптимально ориентирует ее относительно рабочей зоны установки и разбивает на горизонтальные слои. Затем в Insight (тоже автоматически) определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.

Принципиальная схема установок FDM

Принципиальная схема установок FDM

Если для построения модели-прототипа использовалась так называемая поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне. Модель, изготовленная с применением этой технологии, называющейся WaterWorks, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей. Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями. Кроме того, возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки (см. таблицу «Технические характеристики установок быстрого прототипирования фирмы Stratasys, Inc.»).

После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка. Это принципиально отличает FDM от RP-технологий других фирм, в соответствии с которыми процесс доводки моделей требует значительных временных затрат и наличия лабораторий, оборудованных специальными системами вытяжки и охлаждения. К недостаткам RP-оборудования можно отнести и использование в некоторых из них дорогостоящих и не всегда безопасных технологий (например, лазеров, химикатов и т.п.).

Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности в моделировании тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями

Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности в моделировании тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями

Оборудование FDM очень удобно в эксплуатации, недорого в обслуживании и позволяет изготавливать модели-прототипы за считанные часы (в зависимости от размера модели). Технология FDM экологически безвредна — для размещения установок Stratasys не требуется никаких специальных условий, так что их можно располагать в непосредственной близости от рабочих мест конструкторов и технологов. В процессе моделирования нет необходимости в контроле со стороны оператора, поэтому установки могут работать в ночное время и в выходные дни.

Основным материалом, используемым в установках фирмы Stratasys для изготовления прототипов, является ABS (сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола). В установке FDM Vantage также применяется поликарбонат (РС), а в FDM Titan — РС и полифенилсульфон (PPSF), а детали, изготовленные из них, отличают более высокая прочность (материалы вдвое прочнее ABS-пластика) и высокая функциональность.

Прототипы, изготовленные на установках фирмы Stratasys, позволяют оценивать внешний вид и эргономику будущего изделия, анализировать собираемость и функциональность его конструкции, эффективно проводить маркетинговые исследования и рекламные кампании по продвижению продукции на рынок, использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления технологической оснастки

Прототипы, изготовленные на установках фирмы Stratasys, позволяют оценивать внешний вид и эргономику будущего изделия, анализировать собираемость и функциональность его конструкции, эффективно проводить маркетинговые исследования и рекламные кампании по продвижению продукции на рынок, использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления технологической оснастки

Модели из ABS, РС и PPSF сохраняют свои геометрические параметры независимо от уровня влажности, не подвержены влиянию ультрафиолетового и магнитного излучения в течение неограниченного времени. Они также устойчивы к влиянию химически агрессивных сред (в том числе кислот, бензина и масел) и нагреву: модели из ABS сохраняют прочность при нагреве до 93 °С, из поликарбоната — до 125 °С, а из полифенилсульфона — до 189 °С. Прочность моделей из ABS сравнима с прочностью деталей, полученных традиционным литьем из пластмассы, что позволяет собирать из них конструкции для проверки функциональности.

Установки фирмы Stratasys компактны, просты и недороги в обслуживании, а их механические приводы рассчитаны на безотказную работу на протяжении длительного срока. 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.). Широкий модельный ряд установок фирмы Stratasys позволяет оптимально подобрать оборудование — по производительности, материалам и размерам изготовляемых моделей-прототипов.

Все корпусные детали-прототипы комбинации приборов для автомобиля ВАЗ-2118 производства владимирского завода «Автоприбор» изготовлены на оборудовании фирмы Stratasys

Все корпусные детали-прототипы комбинации приборов для автомобиля ВАЗ-2118 производства владимирского завода «Автоприбор» изготовлены на оборудовании фирмы Stratasys

Установки для быстрого изготовления моделей-прототипов фирмы Stratasys активно используются мировыми лидерами в автомобильной, авиационной, медицинской, радиоэлектронной промышленности, в производстве бытовой техники, помогая значительно сократить время, необходимое для обновления модельного ряда продукции и обеспечивая успех в конкурентной борьбе.

Применяют быстрое прототипирование на установках Stratasys и в России — так, все корпусные детали-прототипы комбинации приборов для автомобиля ВАЗ-2118 производства владимирского завода «Автоприбор» изготовлены на оборудовании фирмы Stratasys.

В начало В начало

Быстрое прототипирование в литейном производстве

Кроме применения установок FDM непосредственно для создания прототипов разрабатываемых изделий, имеется положительный опыт использования изготовленных на них моделей из ABS и в литейном производстве:

• в качестве мастер-моделей для литья в песчаные формы (стойкость моделей ABS позволяет выполнить 50-150 съемов);

• в качестве мастер-моделей для изготовления силиконовых форм, в которые затем льется восковая модельная масса;

• для замены моделей из восковой массы в литье по выплавляемым моделям небольших партий изделий.

Пример использования последней технологии1 выявил неоспоримые преимущества: модели из ABS обеспечивают повышенную точность, упрощают подготовительные и вспомогательные операции, сокращаются сроки изготовления и затраты на оснастку. Например, компания Biomet, Inc. (США), начав использовать модели ABS для производства до 50 отливок в месяц, добилась экономии 120 тыс. долл. в год.

В начало В начало

Литье в оболочковые формы по моделям из ABS

Литье по выплавляемым моделям является одним из самых экономичных способов создания деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях — и единственным методом литья, например когда детали имеют поднутрения, тонкие стенки или сложную конфигурацию. Обычно для такого метода литья используются модели из восковой модельной массы, изготовленные аналогично литью пластмасс под давлением: модельная масса льется в форму из алюминия. Этот процесс хорошо освоен и используется на практике тысячами литейных производств по всему миру. Однако среди недостатков использования данной технологии для небольших партий изделий следует назвать длительность процесса, начиная с разработки и заканчивая изготовлением, а также высокую стоимость оснастки для производства моделей. В качестве альтернативы моделей из восковой модельной массы могут выступать модели из ABS, изготовленные на установках Stratasys, что дает значительную экономию времени и средств.

Когда изготавливается модельный блок, к ABS-прототипу отливки присоединяются стандартные стояк, прибыли, выпоры из модельной массы, а после этого полученная сборка покрывается слоями керамики — то есть все происходит так же, как при обычном производстве литья по выплавляемым моделям. Затем оболочка помещается в печь для обжига, где модель выжигается, оставляя, возможно, в полой оболочке небольшое количество легко удаляемой (посредством промывки или с помощью сжатого воздуха) золы.

При изготовлении этой отливки крыльчатки из нержавеющей стали (справа) в оболочковую форму на одном из российских предприятий использовалась модель из ABS (слева), изготовленная на оборудовании FDM

При изготовлении этой отливки крыльчатки из нержавеющей стали (справа) в оболочковую форму на одном из российских предприятий использовалась модель из ABS (слева), изготовленная на оборудовании FDM

Согласно проведенным лабораторным исследованиям, коэффициент теплового расширения моделей из ABS составляет в среднем 0,24%. А при использовании выплавляемых моделей из эпоксидных смол этот коэффициент теплового расширения равен 3,5%. Что касается зольности, исследования показали, что имеет место более быстрое разложение и получается меньшее количество золы при сгорании ABS в воздушной среде в присутствии кислорода, чем без воздуха в атмосфере аргона. При нагреве с кислородом целых 95% образца из ABS сгорело в диапазоне температур от 300 до 400 °C, а оставшийся материал полностью выгорел при 575 °C. Результаты замера количества остаточной золы дали величину 0,021%.

В начало В начало

Выводы

При изготовлении небольших партий изделий применение моделей из ABS дает ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией литья по моделям из восковой массы:

• значительно сокращается время подготовки производства литья, поскольку отпадает необходимость проектирования и производства оснастки для изготовления восковых моделей;

• прочность и термостабильность ABS упрощают требования к транспортировке моделей;

• появляется возможность создания тонкостенных деталей;

• расширяется область применения конечной продукции за счет возможности изготовления более точных моделей;

• достигается большая экономичность при мелкосерийном производстве.

Образцы, выполненные из ABS, имеют ряд качественных преимуществ и по сравнению с образцами, полученными другими методам RP, — это чистое выжигание, прочность, стабильность размеров и легкость подготовки образцов.

Правда, ABS в качестве материала для построения модели все же имеет один недостаток: из-за специфики технологии построения создается несколько грубая поверхность модели. Но ведь совершенно очевидно, что какая угодно поверхность, полученная по любой технологии RP, никогда не будет иметь такое же качество, что и восковая модель из формы, — обязательно необходима доработка для получения гладкой поверхности. А прочность и легкость в обработке ABS позволяют, не опасаясь повреждений, улучшить поверхность детали различными методами, включая обработку наждачной шкуркой, пескоструйную обработку, шпатлевку или покрытие воском.

В начало В начало

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР (SOLVER) является официальным представителем Stratasys, Inc. в России. Специалисты SOLVER прошли обучение и сертифицированы на фирме Stratasys в США. Компания осуществит поставку, запуск, гарантийное и послегарантийное обслуживание оборудования FDM, а также обучение специалистов предприятий. С целью оценки качества моделей, изготовленных по технологии FDM, специалисты СОЛВЕР могут изготовить для заказчика тестовую деталь-прототип по STL-файлу.


1В статье применены материалы отчета «Литье в оболочковые формы с использованием моделей из ABS-пластика, полученных на системах быстрого прототипирования FDM» Колина Гульдсена (Rapid Toolworx) и Пола Блейка (Stratasys, Inc.), в котором подробно описывается опыт применения моделей из ABS (включая лабораторные исследования) на шести литейных производствах США и Канады. Для ознакомления с полной версией отчета и за информацией о технологии и установках FDM обращайтесь в компанию SOLVER.

Радислав Бирбраер

Генеральный конструктор инженерно-консалтинговой компании SOLVER.

Андрей Колмаков

Ведущий специалист службы «Управление продажами» компании SOLVER.

Вячеслав Столповский

Ведущий специалист службы «Маркетинг и развитие» компании SOLVER.

В начало В начало

«САПР и графика» 3'2004

Регистрация | Войти

Мы в телеграм:

Рекламодатель:
ООО «Нанософт разработка»

ИНН 7751031421 ОГРН 5167746333838

Рекламодатель: ЗАО «Топ Системы»

ИНН 7726601967 ОГРН 1087746953557