Текст_читающего

1
технологии быстрого прототипирования
2
технологии быстрого прототипирования
Создание любого нового изделия начинается с прототипирования. Цель
создания качественного прототипа заключается в точном повторении
геометрической формы, собираемости, внешнего вида детали и поиска
материалов, максимально похожих на заданные. Очень удобны технологии
быстрого прототипирования - послойного синтеза макета по компьютерной
модели изделия. Такой прототип позволяет оценить внешний вид детали,
проверить
элементы
конструкции,
сделать
необходимые
испытания,
получить мастер-модель для последующего литья. RP-технологии в
прототипировании значительно сокращают сроки подготовки производства,
разрешают отказаться от длительного и трудоемкого этапа изготовления
опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. Прототип строят,
используя твердотельную модель из CAD-систем. При этом модель
рассекают на тонкие слои в поперечном сечении, используя специальную
программу. Каждый слой имеет толщину, равную разрешающей способности
оборудования по z-координате. Обязательно оставляется припуск на
механическую обработку. Так деталь послойно строят до получения
физического прототипа.
3
Схема всех установок для изготовления прототипов примерно
одинакова: тонкий слой материала наносят на рабочий стол, элеватор
установки, который воспроизводит первое сечение изделия, далее элеватор
смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так послойно
строится модель нужной формы требуемого изделия. Существует множество
технологий прототипирования. Основным различием между ними является
прототипирующий материал и способ его нанесения.
4
 Технологии на фотополимеризации – светоотверждении жидкой смолы.
 Технологии спекания/склеивания порошков и листовых материалов.
 Технологии тепловой обработки твёрдых материалов.
5
Стереолитография (SLA- Stereo Lithography Apparatus).
Это
самый
первый
и
наиболее
распространенный
метод
прототипирования. Он имеет достаточно низкую стоимость прототипа.
Технология подразумевает использование в качестве модельного материала
специального фотополимера – светочувствительной смолы (твердый и
хрупкий полупрозрачный материал, хорошо обрабатывается, склеивается,
окрашивается, но подвержен короблению под влиянием атмосферной влаги,
поверхности имеют хорошее качество). Основой в данном процессе является
ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные
сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой.
Фотополимер затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч.
Затем новый слой смолы наносится на затвердевший слой, и новый контур
намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели.
6
Стереолитография – наиболее популярная технология для получения
высокоточных
моделей.
Она
охватывает
практически
все
отрасли
материального производства от медицины до тяжелого машиностроения,
2
позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых
размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения.
Современные машины обеспечивают шаг построения 0,016 – 0,15 мм.
SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастермоделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них
полимерных смол, а также используется для выращивания ювелирных
мастер-моделей.
В силу дешевизны и отработанности метода, мастер-модели SLA часто
используют для изготовления силиконовых форм (в вакуумной камере), в
которые потом можно отливать пластмассу для получения практически
любых по прозрачности и упругим свойствам деталей.
7
PolyJet – технология.
Запатентованная технология PolyJet фирмы Objet работает по принципу
послойного нанесения фотополимерных материалов на платформу с
ультратонким
слоем
толщиной
16мкм
Каждый
слой
фотополимера
отверждается ультрафиолетом сразу после нанесения. Построенные модели
не требуют дополнительного отверждения и могут сразу использоваться.
Гелеобразный материал поддержек, специально наносимый для поддержки
элементов сложной геометрии, легко удаляется с помощью воды или
вручную.
8
Самые современные системы PolyJet, одновременно распыляют
несколько материалов, позволяя использовать при создании трехмерных
моделей и деталей различные цвета и придавать им разнообразные свойства.
3
В некоторых 3D-принтерах Connex можно смешивать два или три материала
для создания цифровых композитов с заданными свойствами.
9
DLP – технология.
DLP - Digital Light Procession, для построения модели применяется
акриловый фотополимер, отверждение всего слоя одновременно УФ-лампой.
Установки строят трехмерные объекты по методу проецирования световых
масок. Полимеризация материала осуществляется не по точкам, а послойно,
по растровым маскам. Благодаря этому скорость построения не зависит от
размеров и сложности детали. Скорость построения по Z составляет от 10 до
20 мм в час, в зависимости от толщины слоя.
Фотополимеризация происходит на контактном стекле без клеящих
покрытий:
В отличие от других систем быстрого прототипирования, рабочая
платформа установок Perfactory не опускается, а поднимается. Это
обеспечивает, во-первых, компактность установки (благодаря уменьшению
размера ванны с фотополимером); во-вторых, экономится расход материала;
в-третьих, построенные слои больше не находятся в контакте с жидким
полимером, что ускоряет сушку и снижает коробление. В конце построения
каждого слоя платформа покачивается, устраняя натяжение и позволяя
полимеру попасть под деталь для создания нового слоя. По окончании
построения деталь снимается с платформы и подвергается доводке:
дополимеризации под лампой белого света, удалению поддерживающих
структур, при необходимости – полировке, склейке и т.д.
10
4
К достоинствам DPL-принтеров можно отнести высокую точность и
скорость печати. Технология цифрового проецирования в целом очень
полезна, о чем говорит ее применение во многих сферах. Всегда важно
обращать внимание на перспективность, а 3D-печать еще не раскрыла всех
своих возможностей. Еще один плюс этих устройств с DLP – более низкая
стоимость, чем у других принтеров.
К недостаткам можно отнести используемый материал. Вопросом
является безопасность используемых материалов. Существуют достаточно
токсичные полимерные смолы. А еще они достаточно дороги. Но результаты
вполне окупают эти недостатки.
11
SLS (Selective Laser Sintering) - технология.
Согласно
этому
процессу
модели
создаются
из
порошковых
материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В
данном случае, в отличие от SLA-процесса, лазерный луч является не
источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка,
лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в
соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются
полиамид,
полистирол,
песок
и
порошки
некоторых
металлов.
Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так
называемых поддержек при построении модели, поскольку построение
ведется в однородной массе. После построения модель извлекается из
массива
порошка
и
очищается.
Наиболее
популярным
модельным
материалом является порошковый полиамид. Этот материал применяется для
5
создания макетов, масштабных копий, функциональных моделей, т. е.
моделей способных выполнить свою функцию, как деталь машины или
устройства.
Например,
детали
облицовки
салона
автомобиля
или
декоративные элементы кузова.
12
В некоторых случаях полиамид пригоден для исследовательских работ
по определению конфигурации какой-нибудь ненагруженной детали,
например,
впускного
трубопровода
автомобильного
двигателя.
Этот
материал также удобен для изготовления моделей с целью проверки
собираемости сложного узла или для проведения испытаний изделия.
Например,
модель
детали
самолета
или
головка
цилиндров
ДВС,
изготовленные из полиамида, могут быть использованы при проведении
газодинамических исследований методами продувки. Ведущими фирмамипроизводителями SLS-машин являются компании 3D Systems (США) и EOS
GmbH (Германия).
13
FDM (Fused Deposition Modeling) – технология.
При FDM–процессе - послойное наложение расплавленной полимерной
нити)
термопластичный
составляет
0.07
дюйма
моделирующий
(1,78
мм),
материал,
подаётся
диаметр
через
которого
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.
Математическая модель передается в формате STL в специальное
6
программное обеспечение InsightTM или CatalystTM (ОС Windows XP, 2000,
NT 4.0), под управлением которого работают установки FDM. Программа
ориентирует модель оптимальным для построения образом, разбивает ее на
горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки,
укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются
опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Через
основную фильеру головки поступает моделирующий материал. Вторая
фильера
отвечает
за
изготовление
поддержки.
Последовательное
наращивание слоев в результате формируют модель-прототип. Возможно
параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в
рабочую зону установки. Прототипы, размеры которых превосходят
габариты рабочей зоны, можно моделировать по частям, а затем собирать в
единое целое (например, склеивая отдельные части). Точность изготовления
моделей-прототипов на установках Stratasys достигает 0,127 мм, что
сравнимо с точностью пластмассовых деталей, изготовленных в обычных
инжекционных пресс-формах.
14
Установки
материалами:
FDM
работают
пластиками
ABS,
с
ABS
различными
Plus,
моделирующими
ABS-M30
и
ABS-M30i,
поликарбонатом РС, пластиком из смеси РС и АВS, полифенилсульфоном
PPSF (PPSU). Преимущество этих материалов в том, что они используются в
производстве конечных продуктов, а значит, отличаются точностью
изготовления, прочностью и термостабильностью, не деформируются, не
дают усадку и не впитывают влагу. Из них можно собирать функциональные
модели, способные выдерживать реальные нагрузки. Основным недостатком
метода является сравнительно невысокая точность, а также низкое качество и
сложность обработки поверхности.
7
15
Выводы
Все технологии, основанные на фотополимеризации (SLA, PolyJet,
DLP), имеют высокоточные и качественные модели, но нестабильные со
временем размеры (коробление, особенно на свету). Спекание порошка SLS
и тепловая обработка FDM - более стабильная геометрия, но качество
поверхности модели хуже. Качество поверхности SLA и FDM можно (и
нужно) улучшить дальнейшей шлифовкой и полировкой, Если нужны
конструктивные макеты (несущие нагрузку), то только FDM и SLS. Детали,
изготовленные по FDM технологии получаются более слоистыми, чем по
SLS технологии и при неполной химобработке могут расслаиваться.
8