12 - 2003

Вся правда о быстром прототипировании

Достоинства и недостатки технологии FDM глазами независимого эксперта

Тод Гримм

Принципы технологии FDM

Моделирующие материалы

Цвет

Стабильность свойств

Точность изготовления прототипов

Чистота поверхности

Построение небольших деталей и мелких элементов моделей

Рабочие параметры технологии

Области применения

Заключение

Глоссарий

Сегодня о технологиях быстрого прототипирования (RP) имеется много информации, однако выявить преимущества и недостатки каждой из них и выбрать для себя оптимальную в отсутствие практического опыта весьма непросто. Только наличие практики применения той или иной технологии может и должно стать определяющим фактором при выборе эффективного средства для решения конкретных задач.

Не ставя перед собой цели проведения глубокого анализа и сравнения различных методов быстрого прототипирования, в этой статье мне хотелось бы подробно рассказать об одной из ведущих сегодня технологий — FDM — с точки зрения независимого эксперта, при этом лишь проводя параллели с другими наиболее известными RP-технологиями.

Принципы технологии FDM

Эта технология, разработанная компанией Stratasys, позволяет быстро изготавливать прототипы методом послойной укладки полурасплавленной полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение (ПО) Insight, под управлением которого работают установки FDM. Программа оптимально ориентирует модель, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки.

Технология FDM нашла свое применение для изготовления быстрых прототипов с целью визуализации концептуальных изделий, проверки их формы, собираемости и функционирования. На рынке компания Stratasys представляет свою технологию модельным рядом установок: FDM Maxum, FDM Titan, Vantage (рис. 1), Prodigy Plus и 3D-принтер Dimension.

Физические характеристики изготавливаемых моделей-прототипов являются, пожалуй, основным критерием при выборе метода быстрого прототипирования: они определяют качество модели, а также возможность или невозможность использования прототипа для решения тех или иных задач.

В начало В начало

Моделирующие материалы

Когда специалистам, работающим в области быстрого прототипирования, предлагают назвать наиболее важные параметры используемой технологии, на первом месте, как правило, оказываются свойства материала модели. Обычно свойства быстрого прототипа сравнивают со свойствами такой же детали, но отлитой в пресс-форме. Многие пользователи отмечают, что моделирующие материалы для FDM являются одним из главных преимуществ этой технологии. Это ABS-пластик, поликарбонат (РС), а также ряд других материалов.

ABS-пластик

Моделирующий материал ABS-пластик используется на всех установках Stratasys, причем из него производится около 90% всех прототипов FDM. По мнению пользователей, модели из ABS обладают 60-80% прочности деталей из того же материала, но полученных в пресс-формах. Остальные же свойства, такие как температурная и химическая стойкость, близки или одинаковы. Этот факт делает ABS весьма привлекательным моделирующим материалом в плане проверки функциональных качеств прототипов. А то, что ABS используется в производстве конечных продуктов, несомненно, является важным преимуществом для инженерного прототипирования (рис. 2).

Поликарбонат (PC)

Поликарбонат — это новый для быстрого прототипирования материал, впервые он был применен компанией Stratasys на установке Titan. Поликарбонат имеет более высокий предел прочности на растяжение, лучшую жесткость и гибкость по сравнению с ABS. Кроме того, модели из РС характеризуются большей стабильностью формы, более высоким порогом тепловой деформации и долговечностью. Некоторые пользователи убеждены, что прототип из этого материала несет в себе прочностные характеристики деталей из ABS, полученных в пресс-форме.

Другие материалы

В установках Stratasys также применяются и другие моделирующие материалы. Например, в установке FDM3000 (сегодня она снята с производства, но в свое время была лидером продаж в модельном ряду компании) используются так называемый медицинский ABSi-пластик, эластомер и воск. ABSi может применяться в медицинской промышленности благодаря способности к стерилизации рентгеновским облучением (в настоящее время ABSi используется в установке Maxum). Эластомер предназначен для создания функциональных прототипов, которые можно охарактеризовать как «резиновые детали с повышенной твердостью», а воск — для создания восковых литейных моделей для традиционной технологии литья по выплавляемым моделям.

Кроме того, с мая этого года на установке Titan начал применяться новый, перспективный моделирующий материал полифенилсульфон (PPSF), сочетающий в себе еще большую по сравнению с ABS и PC прочность, жесткость, стойкость к высоким температурам и химическим веществам.

В начало В начало

Цвет

Помимо самого распространенного белого цвета ABS-пластик представлен восемью цветами: синим, желтым, оранжевым, красным, зеленым, черным и серым. Кроме того, ABSi может поставляться бесцветным прозрачным, а также прозрачным красным или желтым, что удобно для прототипирования, например, автомобильных фонарей (рис. 3).

В начало В начало

Стабильность свойств

В отличие от материалов, используемых в других технологиях RP (например, SLA и PolyJet), свойства ABS, РС и PPSF не меняются под воздействием внешних факторов или с течением времени. Как и детали, полученные в пресс-формах, модели из этих материалов сохраняют прочность, жесткость и цвет практически в любой окружающей среде.

Свойства моделирующих материалов FDM сходны со свойствами термопластиков, включая сопротивляемость воздействию окружающей среды и химических веществ (в том числе кислот, бензина и масел). Прототипы из ABS сохраняют прочность при нагреве до 93 °С, из РС — до 125 °С, а из PPSF — до 189 °С.

Важной отличительной особенностью моделирующих материалов FDM (а также SLS) является их сопротивляемость воздействию влаги и погружению в воду (рис. 4). В технологиях SLA и PolyJet применяются фотополимеры, весьма чувствительные к влажности. Под воздействием воды или влаги могут измениться их прочностные свойства и точность размеров: адсорбируя влагу, они становятся мягче, а тенденция к деформации и разбуханию не может не отразиться на геометрической точности модели.

Компания Stratasys производит и поставляет все моделирующие материалы, применяемые в установках FDM.

В начало В начало

Точность изготовления прототипов

Как и в других RP-технологиях, точность FDM зависит от нескольких факторов: от калибровки машины, навыков оператора, позиционирования детали в рабочем пространстве установки (иначе говоря, от оси, по которой проверяется точность) и т.д.

Точность по высоте

Точность по оси Z определяется толщиной дорожки и обычно бывает несколько ниже, чем по осям X и Y. Также на точность построения модели по высоте влияет ошибка округления ее значения (в большую либо в меньшую сторону), что, впрочем, характерно для всех систем быстрого прототипирования. Поясню, почему это происходит.

Если верхняя или нижняя поверхность какого-либо элемента модели не совпадает по высоте с плоскостью слоя укладки нити, алгоритм, заложенный в ПО, округлит ее значение до величины, ближайшей к толщине полного слоя. Иначе говоря, в худшем случае, когда значение высоты одной поверхности округляется вниз, а другой — вверх, расстояние между ними будет отличаться от математической модели на толщину одного слоя. В технологии FDM это максимальное отклонение может составлять от 0,178 до 0,3 мм — в зависимости от выбора оператора. Этот выбор обусловлен целью, с которой строится модель, — для проверки функциональности или, например, для оценки формы.

Проверка точности на тестовой детали

Точность изготовления прототипов на установках Maxum, Titan и Prodigy Plus была проанализирована нами на примере построения тестовой детали (рис. 5). Данные по точности измерений геометрических параметров тестовой детали, изготовленной каждой машиной (с выбором толщины слоя 0,178 мм), представлены в табл. 1. Проанализировав данные таблицы, можно убедиться, что в целом точность изготовления прототипов по технологии FDM не ниже или даже выше, чем у технологий SLA и PolyJet, и выгодно отличается от технологии SLS.

Стабильность точности

Стабильность размеров также является одним из главных преимуществ моделей, изготовленных по технологии FDM (этим отличается и технология SLS). Размеры модели по мере снижения ее температуры до комнатной стабилизируются и после извлечения модели из установки больше не меняются с течением времени и под воздействием окружающей среды. Что касается технологий SLA и PolyJet, то это в определенной степени не так.

Обычно в технологиях быстрого прототипирования для достижения необходимого качества моделей требуется последующая ручная доработка. Например, технология SLA требует удаления поддержки вручную и доработки при помощи наждачной бумаги. Это означает, что точность детали уже зависит не только от установки, на которой она была произведена, но и от квалификации доработчика.

В начало В начало

Чистота поверхности

Единственное наиболее очевидное ограничение технологии FDM, признаваемое как пользователями, так и компанией Stratasys, — это чистота поверхности. Из-за экструзии полурасплавленного пластика поверхность получается несколько грубой (грубее, чем при применении технологий SLA и PolyJet, но сравнима с SLS). Хотя качество поверхности может быть улучшено за счет уменьшения ширины дорожки и толщины слоя, на поверхности модели все равно будут видны следы от проходов экструзионной фильеры, выстраивающей слои материала. В табл. 2 приведены данные о чистоте поверхности моделей, изготовленных на установках Maxum и Titan (построенные детали имели толщину слоя 0,178 мм). Для улучшения качества поверхности моделей толщина слоя у последних модификаций этих установок теперь составляет 0,125 мм.

Для достижения оптимального качества поверхностей будущего прототипа его математическую модель ориентируют (средствами ПО) так, чтобы поверхности, требующие большей чистоты, располагались вертикально, а менее значимые с точки зрения требований к качеству — горизонтально.

Впрочем, многие пользователи считают, что чистота поверхности прототипов FDM вполне достаточна для проверки формы, собираемости и функционирования. Если же прототип предназначен для изготовления оснастки с последующим получением отливок, модель необходимо обработать дополнительно — как и в других RP-технологиях. Однако, несмотря на необходимость (повторюсь — лишь в некоторых случаях) доработки поверхности прототипа FDM, времени для этого требуется значительно меньше.

Прочность моделирующих материалов ABS и РС позволяет легко выполнять последующую обработку без всякого риска повредить модель — прототипы FDM можно фрезеровать, точить, сверлить, нарезать в них резьбу. Для улучшения поверхности можно также использовать растворители ABS, шпатлевки (например, эпоксидные) и краски.

В начало В начало

Построение небольших деталей и мелких элементов моделей

Несмотря на то что многие опытные операторы установок FDM могут изготавливать модели и меньших размеров, технологически минимальный размер элемента ограничен шириной двух дорожек (это объясняется замкнутой, двухпроходной траекторией построения) и составляет 0,4-0,6 мм (рис. 6).

Этот диапазон, хотя и несколько больше, чем у SLA и PolyJet, тем не менее сопоставим с размером минимальных пригодных для эксплуатации элементов, построенных по этим технологиям. Так, диапазон технологии SLA составляет от 0,08 мм (для установки Viper si2) до 0,25 мм (для всех остальных), а PolyJet — от 0,038 мм. Однако далеко не всегда требуется изготовление прототипов со столь мелкими деталями (разумеется, кроме совсем небольших моделей). Если принять во внимание свойства моделирующих материалов, то реальный минимальный размер элементов прототипов, изготовленных по технологиям SLA и PolyJet, будет равен 0,5 мм.

В то же время возможности технологии FDM в построении мелких деталей несколько превосходят технологию SLS, у которой диапазон минимальных размеров элементов прототипа составляет 0,60-0,76 мм.

Итак, повторюсь, минимальный размер функционального элемента прототипа FDM (из ABS или РС) — 0,4-0,6 мм.

В начало В начало

Рабочие параметры технологии

После обсуждения физических свойств прототипов необходимо рассмотреть рабочие параметры технологии FDM, от которых может зависеть сфера применения моделей.

Размер детали

Подходящая установка FDM из модельного ряда выбирается исходя из того, какие именно прототипы необходимо изготавливать. У установки Maxum максимальная рабочая зона — 600x500x600 мм (рис. 7) — как и у самой большой установки SLA. Наибольшие размеры детали, изготавливаемой на установке Titan, — 406x355x406 мм (этот размер немного больше, чем у аналогичной системы SLS Sinterstations); максимальные размеры моделей, изготавливаемых на установке Prodigy Plus, — 203x203x305 мм. Этот размер чуть меньше минимальных по размеру установок PolyJet и SLA. Необходимо отметить, что, в отличие от установок, работающих по другим RP-технологиям, заявленный размер рабочей зоны установок FDM всегда соответствует максимальному размеру прототипов, которые можно на них изготовить.

Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны установки, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивать). Это относится ко всем RP-технологиям. Однако достоинством ABS является то, что модели из него можно склеивать недорогим универсальным «секундным» клеем и затем функционально использовать. Кроме того, для соединения деталей из ABS можно применять ультразвуковую сварку. В других RP-технологиях (SLA и PolyJet) такая возможность отсутствует.

Материал поддержки

В технологии FDM материал поддержки необходим для формирования основания, на котором затем выстраивается модель, а также для опоры нависающих элементов. Твердый слой материала поддержки строится в месте сопряжения такой опоры с самой моделью. Остальная часть поддержки состоит из дорожек толщиной 0,5 мм, расстояние между которыми равно 3,8 мм. Технология FDM предусматривает применение двух типов материалов поддержки: обычного — BASS и водорастворимого — WaterWorks.

Материал BASS необходимо удалять вручную. Повредить поверхности детали это не может, тем не менее необходимо проявлять аккуратность при его отделении от мелких элементов модели.

Благодаря тому что материал поддержки WaterWorks может вымываться водным раствором, проблемы его удаления с поверхности мелких деталей, а также из глубоких впадин и даже внутренних полостей полностью отсутствуют. Поверхность прототипов, изготовленных с применением технологии WaterWorks, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей и не нуждается в дополнительной обработке. Что касается других технологий, то удаление материала поддержки без повреждения ее отдельных элементов оказывается весьма затруднительным.

Сборочные единицы, изготовленные совместно

Технология WaterWorks обладает еще одним уникальным свойством — благодаря вымываемому материалу поддержки стало возможным построение за один прием сборных моделей, в которые могут входить даже движущиеся части, с полным обеспечением функциональных свойств прототипа. Например, блок зубчатых передач, показанный на рис. 8, полностью функционален, построен как единое целое и не нуждается в ручной доработке именно благодаря технологии WaterWorks.

Такую же сборку можно изготовить и при помощи других технологий, например SLS или PolyJet, но при этом, естественно, возникнет необходимость в удалении остатков материала, находящегося между компонентами, — для очистки зубчатых колес и валов, полученных при помощи технологии SLS, понадобится долгая, кропотливая ручная работа. С технологией же WaterWorks достаточно нескольких часов для растворения материала поддержки. К тому же вам не нужно будет тратить силы и время на сборку и подгонку деталей.

Время построения детали

Время построения быстрых прототипов различными методами зависит от многих факторов, что затрудняет сравнительный анализ технологий. Но в общем можно утверждать, что на построение прототипа FDM требуется больше времени, чем по технологиям SLA и SLS, и примерно столько же, как в случае использования PolyJet.

Время построения детали по технологии FDM напрямую зависит от количества затрачиваемого моделирующего материала, интенсивности его укладки и сложности структуры поддержки. В свою очередь, интенсивность укладки зависит от размера фильеры, ширины дорожки и толщины слоя. Чем меньше фильера и толщина слоя, тем выше качество поверхности и больше времени необходимо для построения прототипа.

Время изготовления уже знакомой вам тестовой детали (см. рис. 5) на различных установках FDM соответствует следующим цифрам: на Maxum  — 2,2 ч, на Titan — 2,7 ч, на Prodigy Plus — 4,2 ч. Все детали были построены с толщиной слоя 0,254 мм и диаметром фильеры 0,3 мм. По информации, предоставленной компанией Accelerated Technologies, время построения такой же детали на установке SLA 7000 (при толщине слоя 0,152 мм) составляет 1,5-1,8 ч. Установка Sinterstation 2500plus (технология SLS, толщина слоя 0,152 мм) справляется с этой задачей за 1,6 ч, а Object QuadraTempo (технология PolyJet, толщина слоя 0,020 мм) — за 2,3 ч. Из этого следует, что время построения детали на установках Maxum и Titan сопоставимо с QuadraTempo и на 25-70% больше, чем на установках SLA и SLS.

Необходимо отметить, что на время прототипирования по технологии FDM высота модели (то есть ее размер относительно оси Z установки) не оказывает столь значительного влияния, как в технологиях SLA, SLS и PolyJet. Вследствие этого выстраиваемую модель можно располагать в пространстве так, чтобы получить оптимальное качество поверхности без потери во времени. В других же технологиях приходится выбирать между качеством детали и временем ее построения: расположение прототипа в нижней точке рабочей зоны установки сокращает время построения модели, что приводит к некоторому ухудшению качества получаемой детали.

Не влияет на время изготовления прототипа по технологии FDM и тип моделирующего материала, тогда как в технологиях SLA и SLS время построения в зависимости от материала может увеличиться на 20% и более.

С целью уменьшения времени построения прототипа предусмотрена функция Неплотное заполнение (Sparse Fill), с помощью которой твердой и плотной создается лишь оболочка, а внутренний объем — менее плотный, с расстоянием между соседними дорожками 3,8 мм и с изменением их направления (на 90о) в каждом слое. На качестве модели такое неплотное заполнение не отражается, зато уменьшается количество материала, а следовательно, сокращается время построения детали.

Говоря об общем времени построения модели, также необходимо заметить, что установкам FDM не требуется много времени для разогрева до рабочей температуры и охлаждения детали, тогда как установкам SLS, например, необходимо для этого от 2 до 4 ч.

В начало В начало

Области применения

Для того чтобы выбрать наиболее подходящую для применения технологию, необходимо разграничить желаемое и необходимое. Необходимое означает требования для успешного осуществления задуманного, а под желаемым подразумеваются ожидания, которые не всегда выполнимы с любой RP-технологией.

Концептуальное моделирование

Многие пользователи установок FDM рассматривают эту технологию как дизайнерскую. Иначе говоря, она является инструментом, тесно связанным с САПР и управляемым при помощи САПР, для визуализации и анализа дизайнерских идей на ранних стадиях разработки, позволяя значительно сократить временной разрыв между концепциями и их воплощением в жизнь.

Хотя технология FDM и не обладает оптимальной скоростью для концептуального моделирования, она сочетает в себе ряд преимуществ, позволяющих сделать вывод, что FDM является хорошим выбором для построения моделей с целью визуализации (рис. 9). Сильными сторонами технологии FDM являются точность, свойства материала, цветовая гамма и отсутствие необходимости в ручной доработке. И хотя прочность и жесткость материала не являются основными требованиями для концептуального моделирования, эти качества прототипов весьма желательны — ведь непрочные модели имеют свойство ломаться в самый неподходящий момент (например, на презентации у потенциального заказчика).

Прототипы FDM полезны как для использования внутри компании, позволяя руководству, отделу продаж и всем сотрудникам ознакомиться с новым изделием до его запуска в производство, так и для маркетинговых исследований — в работе с потенциальными клиентами с целью заинтересовать их новой продукцией до ее появления на рынке.

Проверка собираемости и функциональности

Другая сфера применения прототипов — для проверки собираемости и функционирования изделия — выдвигает ряд требований к физическим характеристикам моделей. Прототипы, изготовленные по технологиям SLS и PolyJet, обладают хорошим качеством поверхности и точностью, однако не всегда получаются достаточно прочными, а значит, функциональными. Технология SLS, наоборот, обеспечивает прочность прототипов, но не гарантирует точности.

Прототипы FDM также широко применяются для проверки собираемости и функционирования разрабатываемых изделий, так как данная технология не требует значительных компромиссов в выборе приоритета тех или иных характеристик, в отличие от других методов. Прототипы из ABS и поликарбоната обладают той необходимой и присущей этим материалам жесткостью и прочностью, которая позволяет не только подвергать их механической обработке, но и собирать функциональные конструкции (рис. 10).

Без ручной доработки модель может и не достигать качества поверхности реальной детали, однако это считается препятствием для данной сферы применения. Кроме того, качество поверхности зачастую является вторичным требованием по отношению к таким качествам, как точность и стабильность размеров, устойчивость к колебаниям температуры и сопротивляемость воздействию химических веществ.

Использование в литейном производстве

Кроме использования установок FDM непосредственно для создания прототипов разрабатываемых изделий, изготовленные на них модели из ABS могут применяться в литейном производстве  — после несложной доработки поверхности. Например, известен положительный опыт их использования в качестве мастер-моделей для литья в песчаные формы. По некоторым данным, стойкость моделей из ABS позволяет выполнить 50-150 съемов.

Другой пример — литье по выплавляемым моделям, которое является одним из наиболее эффективных способов изготовления деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях — единственным методом литья (например, когда в деталях имеются поднутрения, тонкие стенки или у них сложная конфигурация). Благодаря свойствам материала модели из ABS могут полностью выжигаться из керамической оболочки с минимальной зольностью, сохраняя при этом все преимущества традиционного литья в оболочковые формы.

Быстрое производство

Технологии быстрого прототипирования подогрели интерес к производству продукции небольшими, экономически выгодными партиями (под этим может подразумеваться и одна единица товара). Эта область применения требует, чтобы деталь соответствовала функциональным характеристикам по многим параметрам. Говоря о точности метода построения и характеристиках моделирующих материалов, можно смело утверждать, что FDM является одной из немногих технологий, которые оптимально соответствуют этой сфере применения.

Если необработанная модель FDM и имеет некоторые косметические недостатки, она полностью подходит для использования в качестве внутреннего и любого другого элемента, не требующего особой красоты. Опыт многих пользователей показывает: производство партии из нескольких деталей методом FDM эффективно в плане финансовых и временных затрат. Ведь для быстрого производства решающим фактором является время изготовления детали.

В начало В начало

Заключение

В этой статье я постарался как можно более полно осветить достоинства и недостатки технологии FDM. Владение достоверной информацией как о сильных, так и о слабых сторонах технологий быстрого прототипирования является первым шагом к принятию грамотного решения. Надеюсь, мой материал поможет вам в этом. И помните, ни одна технология не может быть универсальной.

В начало В начало

«САПР и графика» 12'2003