6 - 2001

Самый быстрый и недорогой способ построения трехмерных моделей

И.А.Колка

Одним из первых предприятий, начавших поставлять технологии быстрой подготовки производства на российский рынок, было ООО «Пумори-инжиниринг» (г. Екатеринбург). В комплекс услуг фирмы входят: продажа технологий и оборудования, сервисное сопровождение, обучение персонала, а также изготовление моделей и оснастки в собственном центре RP, который полностью укомплектован предлагаемым оборудованием.

Среди главных проблем для отечественных машиностроительных предприятий можно назвать отсутствие у них технологий, позволяющих быстро и качественно создавать новые товары и организовывать их производство. Такие задачи помогают решать технологии быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), строящие физические модели по данным трехмерного компьютерного моделирования (CAD). Эти модели, в свою очередь, могут создаваться непосредственно в пакетах трехмерного моделирования, а также по данным компьютерной томографии (CT), магнитно-резонансного сканирования (MRI), по результатам измерений на координатно-измерительных машинах. Трехмерная компьютерная модель, преобразованная в формат STL (стандартный формат, используемый всеми типами установок быстрого прототипирования), вначале «разрезается» компьютером на тонкие плоскости поперечных сечений. Эти сечения посылаются компьютером на установку быстрого прототипирования, которая послойно строит деталь. Геометрия каждого слоя определяется формой плоскости соответствующего сечения, созданного компьютером. Все последующие слои скрепляются с поверхностью предыдущего. Этот процесс повторяется до завершения построения. Полученная деталь является концептуальной моделью, применяемой для визуальной оценки конструкции. Она может использоваться для проверки формы и сборки изделия, для ограниченных испытаний функциональности, а также как оснастка при изготовлении небольших серий прототипов и как прототип при изготовлении, например, силиконовых форм. Сокращение сроков подготовки производства с использованием указанных технологий может быть весьма существенным. Например, цикл создания небольшой партии бытовых приборов (чайники, кофейники и т.д.) может измеряться 2-3 неделями вместо 16-18 месяцев, необходимых в случае использования традиционных технологий.

Анализ технологий быстрого прототипирования показывает, что более трети всех RP-моделей используется для визуализации. Они часто строятся как первое физическое представление CAD-модели. Затем в цифровую модель вносятся изменения, поскольку в 100% случаев конструктор обнаруживает в физической модели ошибку (иногда и не одну), которую он не видел на экране компьютера. К сожалению, технологии быстрого прототипирования все же не столь быстры, как это необходимо, и не способны поддерживать темп работы хорошего конструктора. Такое отставание, в сочетании с относительно высокой стоимостью RP-модели и сложностью в эксплуатации установок быстрого прототипирования, вызывает нежелание конструкторов использовать RP-технологии для концептуального моделирования. RP-модели, как правило, строятся только на заключительных этапах проектирования для проверки собираемости изделия и функциональных испытаний. При выявлении ошибок приходится делать новую модель, что, с учетом длительности процесса построения, ведет к значительным затратам.

С точки зрения конструктора идеальная система для построения концептуальных моделей должна удовлетворять следующим требованиям:

  • конструктор должен иметь возможность построить модель в течение 1-2 часов. Кроме того, оборудование должно находиться недалеко от рабочего места конструктора, иначе высокая скорость построения не будет иметь никакого смысла;
  • эту технологию следует использовать уже на самых ранних этапах проектирования, что позволит конструктору или дизайнеру создать достаточное количество «черновиков» изделия, прежде чем выставить его на обсуждение;
  • модели должны быть дешевыми, поскольку большинство из них чрезвычайно быстро оказываются в мусорном ящике. Это означает, что общая стоимость модели, включая стоимость материалов, амортизацию и обслуживание, должна быть достаточно низкой, чтобы конструктору не запрещалось создавать 10-20 итераций для выполнения одного проекта;
  • поскольку готовая модель предназначена служить основанием для принятия решения, она должна давать точное представление о будущем изделии. Весьма важна возможность строить детали сложной геометрической формы, включая подрезы, нависающие элементы и внутренние полости. Это и понятно, так как конструктору нужно оценивать фактическое изделие, а не его упрощение, получаемое в результате ограничений способа изготовления.

Технологию, отвечающую всем этим требованиям, предлагает Z Corporation. Это цветной трехмерный принтер Z406, который строит детали из нетоксичных порошковых материалов на основе крахмала или гипса и водного связующего вещества. Z406 приблизительно в 20 раз быстрее, чем любая конкурирующая технология быстрого прототипирования, а потому позволяет существенно сократить сроки выпуска новых изделий на рынок. Например, шесть деталей, размером и формой представляющих собой нечто вроде баночки для газированного напитка, будут построены менее чем за два часа!

Опытные руководители конструкторских бюро рассматривают трехмерную печать как расширение и дополнение возможностей систем 3D CAD. Проектирование сложных деталей и узлов с использованием CAD может быть трудной задачей, отнимающей много времени. Чем сложнее деталь, тем труднее проверить корректность геометрических данных. Появляются проблемы с несоосностью отверстий; отдельные элементы накладываются друг на друга; части изделия не стыкуются. Трудности возникают и при укладке кабелей, проводов и шлангов, а также при расположении механических и электрических элементов. Своевременное решение всего лишь одной из подобных проблем может окупить приобретение трехмерного принтера. Кроме того, особое внимание уделяется проверке CAD-модели перед генерацией траекторий движения инструмента для станка с ЧПУ.

Трехмерный принтер смещает первый цикл физического моделирования на начальный этап процесса разработки изделия. Время и стоимость создания трехмерных напечатанных моделей минимальны, поэтому конструкторы могут сделать такую печать частью своей повседневной работы. Это облегчит им понимание того, каким образом предложенные изменения отразятся на характеристиках конечного изделия.

Очень часто проблемы возникают и на стадии изготовления оснастки вследствие отсутствия взаимопонимания между конструкторами и формовщиками. Чрезмерно сложные конструкции, слишком тонкие стенки и неподходящие углы литьевого уклона приводят к задержкам производства. Напечатанные трехмерные модели помогают разобраться с любыми недоразумениями в чертежах и спецификациях и дают технологам возможность внести в проект изменения, когда они еще недороги, поскольку по мере продвижения работы к завершению стоимость внесения изменения в конструкцию может достичь стоимости всего проекта.

Система Z406 не только устанавливает новый стандарт в быстром прототипировании, но и относительно недорога в эксплуатации. К тому же в отличие от многих установок быстрого прототипирования она способна создавать сложные геометрические формы без поддерживающих структур, так как все нависающие элементы поддерживаются несвязанным порошком. Это позволяет без всяких ограничений строить детали любой сложности. Максимальный размер детали — 200×250×200 мм. Несмотря на относительно небольшой размер рабочего конверта, можно строить модели практически любого размера: CAD-файл разбивается на несколько частей, которые по очереди печатаются на принтере, а затем склеиваются.

Процесс трехмерной печати крайне прост и по своей сути не отличается от печати на обычном офисном струйном принтере. Оператор импортирует STL-файл в управляющую программу Z406, работающую в Windows на стандартных Pentium PC, где он разрезается на слои толщиной от 0,076 до 0,254 мм. Задавая толщину слоя, оператор делает выбор между разрешением (ступенчатостью) и скоростью печати. Принтер печатает эти слои друг за другом, снизу вверх. Узел печати разравнивает слой порошка, толщина которого соответствует толщине печатаемого слоя. Четыре печатающие 300-струйные головки наносят связующее вещество, склеивая частицы порошка друг с другом в соответствии с формой слоя. Затем распределяется новый слой порошка, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет напечатана полностью. По окончании построения несвязанный порошок удаляется, а деталь очищается от его остатков в специальном устройстве.

Для повышения прочности и улучшения внешнего вида деталь может быть пропитана различными материалами. Стандартный метод пропитки — быстрое погружение в воск. Недавно Z Corporation выпущен новый материал, позволяющий делать концептуальные модели эластичными, как резина. Модели, напечатанные на Z406, можно пропитывать эпоксидными смолами, полиуретанами, различными клеевыми составами. Их можно также шлифовать, красить и сверлить.

Возможности этой технологии выходят за рамки концептуального моделирования. Крахмальные детали, пропитанные воском или специальной смолой ZR10, можно использовать в литье по выжигаемым моделям. Более прочные гипсовые детали могут играть роль мастер-моделей для изготовления форм из RTV-силиконов. Получены положительные результаты при использовании напечатанных деталей в таких процессах, как литье в землю, литье в гипсовые формы, термоформование. Как на гипсовые, так и на крахмальные детали может быть нанесено гальванопокрытие.

Цветной трехмерный принтер способен не только расширить возможности промышленного дизайна, но и решать другие задачи, включая создание моделей молекул и моделирование в медицине. Цветные модели также могут найти применение в целях более наглядного представления результатов анализа по методу конечных элементов и анализа тепловых напряжений.

«САПР и графика» 6'2001