Технологии быстрого прототипирования реферат

Обновлено: 03.07.2024

Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования. Современные методы быстрого прототипирования

Другие контрольные работы по предмету

Для проведения исследования использованы специализированные журналы, учебники, научные публикации, ресурсы Интернет. По результатам исследования подготовлена компьютерная презентация, которая может быть использована для публичного представления результатов исследования.

. Принцип работы систем быстрого прототипирования

. Существующие технологии быстрого прототипирования

Селективное лазерное спекание

Изготовление моделей из ламинатов

.2 Многоструйное моделирование с помощью 3D-принтеров

Моделирование диффузионным напылением

Многофазовое струйное отверждение

. Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования

. Немного о перспективах

В начале 90-х годов прошлого века в США были разработаны первые RP-системы (RP - rapid prototyping, быстрое прототипирование). Назначение этих установок, как следует из названия - быстрое изготовление прототипов. В отличие от традиционных технологий, таких как механообработка или литьё, все RP-системы представляют собой установки для послойного синтеза моделей (выращивания). Исходным материалом для работы любой RP системы является трёхмерная твердотельная компьютерная модель изделия, созданная в любой программе 3D САПР. Она сохраняется в формате файла STL, затем в программном обеспечении RP-машины она разбивается на плоские слои с одинаковой толщиной. Работы ведутся в автоматизированном режиме без влияния человеческого фактора. Установка быстрого прототипирования строит из модельного материала эти слои последовательно, один за другим, до получения завершённой трёхмерной модели. Таким образом, время изготовления модели не зависит от сложности геометрии, а определяется только размерами прототипа. Это является одним из серьёзных преимуществ систем быстрого прототипирования по сравнению с традиционными технологиями, такими например как механообработка или литьё.

Так же необходимо отметить, что для изготовления модели средствами RP не требуется дорогостоящая оснастка, как для литья, или построение программ для станков с ЧПУ в системах CAM как происходит при механообработке. Прототипы позволяют выполнять такие тесты, которые на готовом изделии и не проведешь. Например, компания Porsche в процессе разработки трансмиссии автомобиля использовала прозрачную пластиковую модель для изучения особенностей циркуляции масла. Эти преимущества особенно важны при изготовлении прототипов, когда изготавливаются единичные изделия, а не большая серия.

Использование рассматриваемой технологии не ограничивается только этапом получением прототипа будущего изделия. Следующая стадия - это быстрое производство. Уже сегодня RP-технологии позволяют изготовлять законченные изделия из различных материалов. Такая возможность является идеальным решением для малосерийного производства, поскольку применяемый техпроцесс позволяет сделать что угодно (в разумных пределах, конечно) за относительно небольшое время. С помощью технологий быстрого прототипирования можно изготовлять формы для промышленного литья. Для обладателей форм дальнейший производственный процесс не вызывает никаких трудностей. Правда, цены и доступность (равно как и выбор материалов) такого оборудования пока оставляют желать лучшего.

Что же представляют собой системы быстрого прототипирования сегодня?

прототипирование принтер многоструйный лазерный

1. Принцип работы систем быстрого прототипирования

Rapid Prototyping - это активно развивающаяся в проектной и производственной индустрии новая технология. Она обеспечивает возможность получения физических моделей и деталей без их инструментального изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-систем в RP-систему.

В настоящее время на рынке представлен ряд RP-систем, производящих модели с помощью различных технологий и из всевозможных материалов. Все имеющиеся системы для быстрого прототипирования работают по схожему - послойному принципу построения физической модели, который заключается в реализации трех этапов:

·считывание трёхмерной геометрической информации из CAD-систем в формате STL. Все CAD-системы твёрдотельного моделирования способны транслировать файлы в формате STL;

·разбиение трёхмерной цифровой модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием;

·построение сечений детали слой за слоем снизу вверх до тех пор, пока не будет получен физический прототип цифровой модели.

Слои, располагающиеся снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Рис. 1 Процесс получения CAD-модели по имеющемуся образцу

2. Существующие технологии быстрого прототипирования

По принципу работы все системы быстрого прототипирования можно разделить на два больших класса: собственно RP-системы и 3D-принтеры.

Исторически первой появилась стереолитография (Stereo Lithography или SLA). Ее изобрел и запатентовал Чарльз Халл в далеком 1986 году. Позже он основал компанию 3D Systems по производству соответствующего оборудования. Впоследствии к ней присоединилась немецкая EOS GmbH, японские Sony-DMEC и Mitsui Engineering и другие.

Селективное лазерное спекание

Альтернативным методу стереолитографии является селективное (выборочное) лазерное спекание (Selective Laser Sintering или SLS).

Рис. 2 Прототип полученный при лазерном спекании

Этот технологический процесс был разработан в 80-х годах прошлого века в Техасском университете в Остине и запатентован в 1989 году выпускником университета Карлом Декардом. На поток дело поставила компания DTM Corp.

Селективное лазерное спекание начинается тогда, когда очень тонкий слой легкоплавкого при нагреве порошка укладывается в рабочую камеру цилиндрической формы. Для спекания порошка, разложенного внутри границы контура рабочей камеры, используют лазер. Лазер повышает температуру порошка до точки плавления, происходит частичное спекание вещества и формирование его в твердую массу. Интенсивность луча изменяется так, чтобы расплавлять порошок только в зонах, ограниченных геометрией будущей конструкции. Как только лазер обработает весь слой порошка в данном сечении, тут же насыпается новый тонкий слой и процесс повторяется. Затем деталь удаляется из зоны обработки и свободный порошок вытряхивается. SLS-детали могут быть получены из порошков с различным размером зерен в зависимости от будущего применения деталей.

Лазерное спекание обеспечивает высокое качество готовых изделий, хотя поверхность модели получается пористой. Преимущество - достаточная для малосерийного производства прочность деталей. Правда, SLS-установка дорога, а скорость воспроизведения цифровой модели составляет всего несколько сантиметров в час, плюс несколько часов на нагревание и остывание установки. Кроме хорошей точности и высокой прочности получаемых объектов, SLS обладает еще и таким достоинством, как возможность получать детали с движущимися частями, например, подвижными

Например, блок цилиндров ДВС, вполне пригодный для проведения полноценных моторных испытаний, может быть выполнен методом быстрого прототипирования, без изготовления деревянных или металлических моделей и форм. Полноценная литейная оснастка изготавливается уже после завершения испытаний, корректировки конструкторской документации и тщательной технологической подготовки. И если вопрос о применении аддитивных технологий в промышленном производстве остается дискуссионным, то в отношении НИР и ОКР они уже доказали свою очень высокую эффективность.

Среди фирм-производителей наиболее популярных принтеров для прототипирования следует назвать такие фирмы, как:

• Stratasys – принтеры серий Mojo 3D, Print SE, Dimension, в которых применена технология FDM, а также принтеры, работающие по технологии Poly-Jet или MJM – Objet24, Objet30, Objet Eden, Objet Connex, Objet260;
• 3D Systems – принтеры ProJet ® 360,ProJet ® 4500, ProJet ® 460Plus, ProJet ® 660Pro, ProJet ® 860Pro, в которых применяется технология Binder Jetting с нанесением отверждающего состава на порошковый модельный материал;
• Envisiontec, принтеры серии Ultra и др.

Данные принтеры среднего уровня, стоимостью в пределах 20 -100 тыс. евро, и находят применение в образовании, в работе архитектурных бюро и модельных мастерских, в дентальной медицине, при выполнении многих задач НИОКР, в опытном производстве в целом.

Для изготовления крупногабаритных моделей и моделей с повышенными требованиями к качеству поверхности и прочности используют более дорогие AM-технологии (SLA, SLS) и профессиональные машины стоимостью €150-900 тыс. и более.

Качество поверхности прототипа часто зависит от ориентации модели на рабочей платформе при построении. При построении плоской детали, расположив её горизонтально, можно получить низкую шероховатость горизонтальной поверхности; для получения лучшего качества на боковых поверхностях модель необходимо сориентировать под углом к плоскости платформы.

Рисунок 1. Послойный принцип построения модели

Важным параметром, определяющим качество поверхности, является качество исходной трёхмерной CAD-модели. Виртуальная модель представляет собой 3D-поверхность в виде замкнутой сетки из треугольников. Шероховатость поверхности напрямую зависит от качества создания сетки, рисунок 2. Так, при использовании трёхмерной модели низкого качества макрошероховатость, заложенная в файле, может проявиться при построении физической модели и дать ложное представление о качестве принтера или эффективности выбранной технологии, рисунок 3.

Рисунок 2. Модель шара: слева – низкого качества, справа – высокого

Рисунок 3. Низкое качество CAD-модели обусловливает низкое качество поверхности отливки

Но в ряде случаев это технически затруднительно или может привести к потере точности (геометрии) модели. Как правило, чем меньше шероховатость поверхности модели, тем выше цена AM-машины.

Технологии SLS, DLP, Poly-Jet и др., использующие жидкий фотополимер в качестве модельного материала, предполагают наличие так называемых поддерживающих структур – поддержек, на которых закрепляется тело модели при построении (рисунок 6). Эти поддержки строятся автоматически по специальной программе и представляют собой тонкие столбики. В зависимости от технологии они строятся из специального легкорастворимого в воде материала (по технологии Poly-Jet компании Objet) или из основного модельного материала (классическая лазерная стереолитография – SLA). После построения поддержки удаляются механически (SLA) или смываются водой (технология Poly-Jet), поэтому одна из поверхностей модели более шероховатая, чем остальные. Качество построенной модели зависит также и от квалификации персонала: насколько правильно была сориентирована модель на рабочей платформе перед построением, насколько верно был выбран режим генерации поддерживающих структур, насколько качественно был сделан исходный 3D-файл.

Рисунок 4. Прототипы, созданные на принтерах Eden 250 и ProJet ® 660 а – Прототип пульта (Objet Eden 250) б – Модель сборочного узла (ProJet ® 660)

Рисунок 5. Фрагмент модели газотурбинного двигателя (технология FDM)

Рисунок 6. SLA-модель с поддерживающими структурами

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты сравнительных измерений поверхностей одной и той же детали, построенной на разных машинах. Для большей достоверности измерения проводились на горизонтальных (тип А) и вертикальных (тип В) поверхностях. Измерения только одного вида поверхности может привести к неверному представлению о возможностях машины, поскольку, например, машина, работающая с жидким фотополимером, может построить очень гладкую,

почти зеркальную горизонтальную плоскость, но на вертикальной стенке может быть заметная шероховатость.

Таблица 1. Сравнение шероховатостей моделей, полученных различными AM-технологиями

Из приведенных данных, очевидно, что и внутри отдельной технологии могут быть существенные нюансы в оценке шероховатости, связанные с типом модельного материала (его качеством и, соответственно, ценой!). Видно также, что технологии, базирующиеся на использовании жидких фотополимеров (SLA, DLP, Poly-Jet), позволяют получить более гладкие поверхности по сравнению с SLSили FDM-технологиями.

То же касается и точности: чем выше точность построения, тем дороже 3D-принтер. По этому параметру AM-машины имеют значительные отличия. При рассмотрении технических характеристик принтеров, безусловно, следует обращать внимание на параметр, называемый layers thickness – толщина слоя построения, или шаг построения.

На точность влияет ряд параметров, и шаг построения является не единственным и, зачастую, не главным. Заявляемый шаг построения, например, 0,08 мм для SLS-машины 3D Systems вовсе не означает, что модель размерами 250х250х250 мм будет построена с отклонениями по осям измерений ±0,08 мм. Скорее всего, отклонения будут находиться в пределах нескольких десятых долей миллиметра (±0,3…0,8 мм). На конечный результат будет сильно влиять тип материала (полиамид, полистирол) и в ещё большей степени – конфигурация модели, а также квалификация персонала: правильно ли выбраны режимы спекания, ориентация моделей в объеме построения, расположение моделей относительно друг друга и т. д. При этом нужно помнить, что SLS – это тепловой процесс, в ходе которого в рабочую камеру подводится значительное количество тепла, температура массива в камере достигает 150°С. Естественно, что строящаяся модель подвергается существенным тепловым нагрузкам и может деформироваться.

Данный эффект может быть усилен или ослаблен действиями персонала как на стадии подготовки задания на построение, так и в процессе работы машины и извлечения моделей из камеры. Неверные действия могут привести к короблению модели, и формальная точность, выраженная понятием layers thickness, не будет иметь никакого значения: отклонения от исходной геометрии могут составлять миллиметры.

Другие технологии также имеют свои особенности, например, разную реальную точность построения по осям: в плоскости X-Y одно значение, в направлении Z –другое. Поэтому при выборе технологии и 3D-принтера не лишним будет построить тестовые модели на разных AM-машинах, провести измерения и оценить, соответствуют ли результаты ожиданиям заказчика и требованиям к модели для конкретных задач. Тем не менее, общепринятым можно считать мнение, что наилучшая точность построения достигается в SLA-машинах. Одной из причин этого является то, что в SLA-технологии процесс построения происходит при комнатной температуре в отсутствии термических нагрузок. Большое значение имеет также качество модельных материалов. Современные SLA-материалы, во-первых, малоусадочные и, во-вторых, имеют определенную вязкость, позволяющую получать стабильно в процессе построения тонкие слои до 0,025 мм. Реальная точность построения SLA-машин составляет 0,025…0,05 мм на дюйм линейного размера. Это значит, что модель с характерным размером 250 мм будет, иметь отклонения в пределах ±0,25…0,5 мм. Однако эти отклонения могут быть существенно уменьшены за счет введения соответствующих корректировочных коэффициентов на стадии подготовки задания на построение, и следующая модель может быть построена значительно точней, правда, в этом случае первая модель будет в качестве тестовой.

Рисунок 7. Оснастка (вставки) для получения отливок из полиамида на термопласт-автомате (изготовлено на принтере Objet500 Connex)

AM-технологии применяют и для прототипирования некоторых функциональных характеристик изделия – оптических, прочностных, гидро- и аэродинамических. Например, стереолитографические модели широко используются для продувки макетов летательных аппаратов или полноразмерных моделей и их отдельных элементов (рисунок 8).

Рисунок 8. Испытания элементов самолета в аэродинамической трубе

Компания LUXeXceL (Нидерланды) разработала технологию и оборудование для моделирования оптических изделий (линз, призм и т. д.).

Рис. 9. Технология Printoptical: 1 – глянцевая поликарбонатная подложка; 2- фотополимер; 3 – струйная головка; 4 – УФ-лампа; 5, 6 – отверждённые слои

В ряде случаев прототип может быть полностью функциональным для проведения вариантных исследований (рисунки 10, 11). Например, изготовление опытного образца алюминиевой впускной трубы ДВС потребовало бы значительных финансовых и временных затрат (разработка и изготовление литейной оснастки, механообработка). АМ-технологии позволили сократить время и провести моторные испытания с использованием полиамидного прототипа (см. рисунок 11), оснащенного необходимыми устройствами прямо на моторном стенде. Появление новых высокопрочных, термостойких модельных материалов расширяет возможности функционального прототипирования.

(Экспонат выствки Euromold 2014, 3D Systems)

Рисунок 10. Полноразмерный макет приборной панели автомобиля

Рисунок 11. Прототип впускной трубы ДВС, оснащенный элементами системы топливоподачи и подготовленный к проведению стендовых испытаний

Архитектурное моделирование (макетирование) было и остается популярным направлением быстрого прототипирования, рисунок. 12, которое применяется и в работе с индивидуальными заказчиками на стадии эскизного проекта, и крупными компаниями для согласования проектов застройки городских комплексов.

(Экспонат выставки Euromold 2014)

Рисунок 12. Архитектурное моделирование: а – макет Химического корпуса СПбГПУ; б – макет детской площадки

Важной вехой в развитии АМ-технологий стало появление технологии AKF – ARBURG Kunststoff-Freeformen (компания ARBURG), рисунок 14. Известно, что принципиальным недостатком технологий быстрого прототипирования является то, что 3D-принтеры в силу специфики рабочего процесса строят изделия из модельных материалов, далеко не всегда соответствующих функциональным требованиям. Нитевые, порошковые или светоотверждаемые полимеры позволяют достаточно точно воспроизвести геометрию детали, но их прочностные свойства: термостойкость, стойкость к воздействию влаги, агрессивных сред, ультрафиолетового излучения и т. д. оказываются не достаточными, чтобы использовать построенные изделия в качестве конечного продукта – детали механизма или машины.

(Экспонаты выставки Euromold 2014)

Рисунок 13. Копии двигателей: а – действующая модель авиационного звездообразного двигателя; б – макет авиационного газотурбинного двигателя.

Технология AKF выводит аддитивные технологии на качественно новый уровень. Она позволяет использовать промышленные полимеры – ABS, PC (поликарбонат), PA (полиамид), TPE (термоэластопласты), причем в привычном для промышленного литья виде – в стандартных гранулах. Теперь нет необходимости готовить нитевидный, как для FDMма- шин, или порошковый, как для SLS-машин, дорогостоящий модельный материал. В конструкции AM-машины Freeformer много общего от обычных серийных термопласт-автоматов. В бункер (рисунок 14 б) загружают фидсток в виде гранул, шнековый механизм подает материал к экструдеру. По пути к экструдеру материал нагревают до 205°С. Экструзионная головка содержит форсунку с дозирующим механизмом и мембраной с пьезоэлектрическим приводом. Наконечник форсунки – сменный, могут быть установлены наконечники с диаметром выходного отверстия 100, 150, 200, 250, 300 мкм. Таким образом, в зависимости от требований к детали можно регулировать скорость построения (производительность) и шероховатость поверхности (меньше скорость – меньше шероховатость и наоборот).

(Экспонат выставки Euromold 2014)

Рисунок 14. АМ-машина Freeformer (ARBURG): а – внешний вид машины; б, в, г – схема рабочего процесса; размеры зоны построения 230x130x250мм; минимальный шаг построения 0,15 мм

Машина может быть оснащена одной, двумя и более экструзионными головками, что позволяет либо увеличить скорость построения деталей, либо использовать при построении различные (по цвету или по свойствам) материалы.

Прототипирование или RP – Rapid Prototyping – это технология изготовления деталей по трёхмерной модели, методом управляемого лазерного излучения под действием, которого происходит послойное спекание композитного материала, в результате чего появляется физическая деталь, прототип. Такой метод позволяет изготавливать различные изделия такие как: архитектурные макеты, модели автомобилей, лодочные винты,корпуса, литейные модели, запчасти для телефонов, и т.д.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Прототипирование.docx

Прототипирование или RP – Rapid Prototyping – это технология изготовления деталей по трёхмерной модели, методом управляемого лазерного излучения под действием, которого происходит послойное спекание композитного материала, в результате чего появляется физическая деталь, прототип. Такой метод позволяет изготавливать различные изделия такие как: архитектурные макеты, модели а втомобилей, лодочные винты,корпуса, литейные модели, запчасти для телефонов, и т.д.

RP-технология особенно актуальна в случаях, когда нужно изготовитьопытный образец или единичное изделие – эксклюзивное. По сравнению с обычными видами обработки механическим способом, путь от идеи до воплощения становится предельно коротким. Послойное наращивание одна из современных технологий позволяющая ещё на стадии проектирования вносить изменения по усмотрению разработчика, что избавляет от излишних затрат на повторные изготовления опытных образцов.

Для обработки CAM системой и последующего изготовления ваших моделей используется файл с расширением *.stl

STL – англ. stereolithography – используется в технологии прототипирования.

В современных программах, таких как Pro/E, SolidWorks, Autodes k Inventor, Autodesk 3ds Max,Unigraphics, Компас-3D, предусмотрено сохранение либо экспорт в вышеуказанный формат. Для сохранения файла в формате *.stl нужно в главной панели инструментов выбрать File / Save As (Файл / Сохранить как), в появившемся окне выбрать расширение *.stl и сохранить. При выборе формата файла данного типа, в частности в программе SolidWorks, в окне сохранения есть кнопкаOptions (Параметры) после нажатия кнопки появится следующее окно, в котором нужно установить рекомендуемые значения параметров качества поверхности:

Deviation (отклонение) – 0.011мм

В некоторых программах, например Autodesk 3ds Max, нужно выбрать Export / *.stl и соответственно экспортировать файл с данным расширением.

Быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) – уникальная технология, которая позволяет в кратчайшие сроки получить точный макет различных деталей и изделий или опытных образец для демонстрации полезных свойств предмета. Прототипирование имеет довольно широкую сферу применения. Прежде всего, данная технология используется для изготовления партии опытных изделий различного назначения. Возможен заказ как нескольких штук, так и нескольких тысяч изделий. Незаменимо быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) при необходимости частой замене дизайна или конструкции деталей, а также при старте запуска серийных изделий. Данная технология используется в машиностроении, полиграфии, в электротехнической и электронной промышленности. Стоит отметить, что сфера использования не ограничивается указанными областями промышленности. Сегодня прототипирование можно встретить практически повсюду. Прототипирование является одним из главных направлений нашей компании на сегодняшний день. В работе мы ориентируемся на требования и пожелания наших клиентов. Каждый специалист нашей компании имеет большой опыт работы и блестящую квалификацию, что позволяет нам неизменно оказывать услуги качественно и быстро. 3d прототипирование базируется на применении высоких технологий. Мы используем исключительно передовое современное оборудование, основанное на инновационных методиках и технологиях. Накопленный опыт в сочетании с эффективными методами производства позволяют неизменно предлагать нашим клиентам качественные услуги, выполненные на высоком профессиональном уровне. Мы предлагаем не только быстрое прототипирование изделий, но и серийное производство пластиковых деталей. Также у нас Вы можете заказать механическую обработку МДФ, ДСП, древесины, фанеры и прочих материалов, используемых в строительстве и промышленности.

Прототипирование изделий и деталей любой степени сложности. При изготовлении заказа учитываются все особенности изделий.

Производство оснастки. Данные услуги включают в себя также создание математических моделей, стиля и дизайна каждой детали.

3d прототипирование является новым видом производства. Если у Вас возникли дополнительные вопросы, Вы всегда можете связаться с нашими специалистами. Мы рады ответить на любые Ваши вопросы.

Как осуществляется прототипирование изделий?

Фактически 3d прототипирование изделий представляет собой послойное построение физической конструкции на основе разработанной математической модели. Среди преимуществ технологии: наглядность, сокращение сроков подготовки производства, а также уменьшение затрат на конструирование и дизайн. Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) включает несколько этапов, первым из которых является математическое моделирование. Данная технология заключается в разработке математической модели изделия в формате STL. Затем для доработки требуемой фактуры видовых поверхностей осуществляется доработка прототипов. Отметим, что если у вас есть образец детали, изготовление прототипа не обязательно. Предоставленный вами образец наши специалисты могут использовать в качестве мастер-модели при производстве силиконовой оснастки. Прототипирование изделий также включает отработку технологий, непосредственно изготовление моделей и финальную доработку. Осуществляя качественное 3d прототипирование, наша компания гарантирует высокое качество и оперативность работы.

Этапы быстрого прототипирования изделий:

1) Математическая модель детали

2) Прототип, изготовленный по технологии SLA

3) Доработанный прототип

4) Силиконовая оснастка

5) Готовая деталь

Изготовление прототипов и 3d печать

Сущность технологии быстрого прототипирования - это послойный синтез или послойное "выращивание" модели или готового изделия непосредственно по электронным данным – компьютерной CAD-модели (формат STL) без использования технологической оснастки. Преимущества: скорость, точность, снижение затрат на НИОКР. RP-технология особенно привлекательна для изготовления опытных, единичных, эксклюзивных и уникальных образцов, поскольку не требует изготовления специальной оснастки, минимизирует ручной труд. Широко используется в машиностроении, электронной и электротехнической промышленностях, полиграфии, медицине, ювелирном деле, архитектурном моделировании и т.д.

3d печать

Зачастую вместо более правильного и точного термина Rapid Prototyping (Быстрое прототипирование) применяют понятие 3d печать. На сегодняшний день существует большое количество технологий объемной 3d печати, но во всех лежит один и тот же принцип послойного создания твердой геометрии. Применение технологий быстрого прототипирования (3d печать) позволяет оценить внешний вид детали, провести различные испытания и проверить изделие на наличие конструкторских ошибок, также применяется для изготовления силиконовой оснастки при необходимости изготовления партии деталей. Ниже приведены описания основных технологий изготовления прототипов (3d печати), получившие самое широкое распространение.

Технологии изготовления прототипов

SLA- Stereo Lithography Apparatus, стереолитография

SLA - это лазерное прототипирование. SLA - это лазерное прототипирование. Технология подразумевает использование в качестве модельного материала специального фотополимера – светочувствительной смолы. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Жидкий пластик затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый жидкий слой наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели.

Стереолитография – наиболее распространенная RP-технология. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,1…0,025 мм. SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также ювелирных мастер-моделей.

SLS - Selective Laser Sintering – селективное лазерное спекание

Лазерное прототипирование применяется не только с жидкими основами. Метод SLS позволяет создавать копии на основе порошкообразных компонентов. Согласно этому процессу модели создаются 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. В процессе SLA при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои создаваемой модели от обрушения.

В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается. Модели из полистирола предназначены для получения отливок методом "выжигаемых моделей". Наиболее популярным модельным материалом является порошковый полиамид. Этот материал применяется для 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.

FDM - Fused Deposition Modeling

При FDM–процессе - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0.07 дюйма (1,78 мм), подаётся через 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. Главным недостатком метода является недостаточно гладкая поверхность создаваемой детали. Кроме того, при наложении расплавленного материала происходит некоторое оплавление предыдущего слоя. Поэтому данный метод имеет ограничение на минимальный размер зазоров в создаваемом изделии.

3D-сканирование и 3D-моделирование

3D-моделирование можно отнести к разряду самых популярных и востребованных компьютерных искусств. Многие специалисты считают его наряду с программированием исключительно сложным и кропотливым занятием. Впрочем, с кропотливостью в скором времени будет покончено, т. к. сегодня на рынке присутствует целый ряд доступных устройств пространственного сканирования объектов.

3D-сканирование - это систематический процесс определения координат точек, принадлежащих поверхностям сложнопрофильных физических объектов (в частности, деталей) с целью последующего получения их пространственных математической моделей, которые могут модифицироваться с помощью CAD-систем. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют 3D-сканерами. Эти устройства не только упрощают процесс создания 3D-моделей, но и позволяют решать эту задачу с максимальной степенью достоверности по отношению к исходному оригиналу.

Несмотря на то что сегодня основными потребителями 3D-сканеров являются дизайнерские и кинематографические студии, первыми заказчиками этих устройств стали автомобильные и конструкторские дизайн-бюро, потребность которых в оборудовании данного класса обусловила используемая ими технология работы.

Как известно, дизайн автомобилей и летательных аппаратов до сих пор совершенствуется с помощью гидродинамических труб, где уровень обтекаемости форм определяется нагнетательным воздействием воздушного потока. Математические алгоритмы, моделирующие работу подобных систем, постоянно совершенствуются, но по уровню своей эффективности они далеки от настоящих гидродинамических обдувов и вряд ли когда-нибудь смогут заменить их полностью. Поэтому идеология работы современных дизайнерских бюро многие годы почти не меняется и в настоящее время состоит из трех основных этапов.

На первом этапе создается чертеж модели, которая затем выполняется из пластичного материала. Далее форма модели гидродинамически рационализируется в трубе обдува, а уже потом, при помощи сканирующих приборов переносится и обрабатывается на компьютере. На основе объемных виртуальных моделей делаются новые более точные чертежи, а по ним уже и создаются серийные образцы автомобилей, самолетов и прочих конструкций, для которых важна обтекаемость форм. Как несложно догадаться, этап оцифровки моделей - важнейший в процессе создания изделий, поскольку точность этого процесса и предопределяет гидродинамические характеристики конечного продукта. "Ручной" способ оцифровки малоприемлем, т. к., во-первых, очень трудоемок, а во-вторых, неточности, сопутствующие ему, нивелируют все старания инженеров. Поэтому проблема точной автоматизированной системы создания трехмерных каркасов объемных тел встала перед разработчиками компьютерного оборудования достаточно давно.

Успехов в этой области достигнуто немало, поскольку на рынке представлено несколько совершенно непохожих друг на друга систем оцифровки трехмерных поверхностей и в ближайшем будущем многие из них вполне могут стать популярными настольными решениями с массовым характером распространения. Собственно о технологиях, позволяющих сканировать 3D-модели, а также продуктах, полученных на их базе, и пойдет речь в данной статье.

Принцип работы

В настоящее время существует целый ряд технологий, позволяющих создавать трехмерные образы аппаратными методами, то есть без привычного 3D-моделирования в специализированных программных пакетах. Условно разделим технологии трехмерного сканирования на два типа: контактные и бесконтактные.

Первые подразумевают наличие механического устройства - "щупа", при помощи которого в компьютер передаются координаты выбранных оператором точек. Система позиционирования и координатоисчисления таких приборов построена на основе работы механических датчиков, аналогичных тем, что используются в оптико-механических манипуляторах "мышь". Последние закреплены в каждом шарнире крепления "щупа", и именно от точности этих датчиков и зависит точность работы прибора пространственного сканирования в целом. Сегодня такие системы встречаются все реже, и, по мнению специалистов, их удел в будущем - сканирование сравнительно простых некрупных объектов.

В процессе разработки новой продукции часто возникает не­обходимость в получении наглядных образцов, или так называе­мых моделей-прототипов изделия, его отдельных узлов и деталей. Макет изделия, который можно взять в руки намного нагляднее, чем его фотореалистическое изображение на экране монитора. Цель изготовления реальной физической модели спроектиро­ванного конструктором: выявить неточности до начала серийного производства, выполнить доработку и провести некоторые функ­циональные испытания будущего изделия.

В конце XX века были разработаны различные процессы бы­строго прототипирования (изготовления) образцов деталей и из­делий путем послойного наложения композитного материала. Основное преимущество быстрого прототипирования состоит в том, что прототип изготавливается автоматически по чертежу детали. Отпадает необходимость в разработке технологического процесса обработки и подборе оборудования.

Технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping — RP) является частью идеологии, цель которой — сократить сроки выпуска нового изделия: от момента появления идеи и начала проектирования до выпуска новой продукции на рынок (Time-Compression Engineering). Она предусматривает формирование трехмерных объектов не за счет изменения формы заготовки, как это происходит при ковке, штамповке, прессовании, или путем удаления материала с заготовки, как это имеет место при обработке на металлорежущих станках, а за счет послойного от­вердевания поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно затвердевающих сло­ев. Другие названия этого метода подтверждают его компьютер­ную основу: настольное производство (Desktop Manufacturing), трехмерный принтер (3D printing) и т. п.

Работа систем быстрого прототипирования основана на хи­мических процессах, обеспечивающих превращение жидких по­лимеров в твёрдый материал под воздействием излучения. На изготовление опытных образцов по электронным данным ком­пьютерной CAD-модели без применения специальной техноло­гической оснастки требуются часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов. Путь от дизай­нерской идеи и конструкторской проработки до готовой модели сокращается до нескольких часов или дней.

Использование прототипирования на 50-80% сокращает сроки подготовки производства, позволяет практически полно­стью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. По сравне­нию с известными методами получения моделей изделий, суще­ствовавшими в середине XX в., появление систем быстрого про­тотипирования было переворотом в технологии. Их основной недостаток — ограниченность выбора материалов. Поскольку станки с ЧПУ способны обра­батывать большую часть до­ступных промышленных мате­риалов, включая металлы, то физические объекты, изготов­ленные методом быстрого про­тотипирования, используются главным образом в качестве прототипов или шаблонов для других производственных про­цессов.

На макете можно проверить возможность установки раз­личных компонентов, эргоно­мику разрабатываемого изде­лия. Маркетинговые и рекламные службы предприятия могут эффективно проводить анализ рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы будущего изделия. Кроме того, прототип помогает бо­лее точно определить стоимость изготовления будущего изделия.

Специалисты, отвечающие за подготовку производства, име­ют возможность на виртуальном прототипе изделия смоделиро­вать производственные процессы и заранее предотвратить воз­можные проблемы. Объемную модель можно использовать для изготовления оснастки при различных видах точного литья, при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки. Прототипы изделий снижают себестоимость продукции, особен­но в мелкосерийном или единичном производстве.

Визуализация физического объекта (детали) способствует уменьшению затрат на подготовку производства. Модели само­лета или лопаток турбины, полученные методом быстрого прото­типирования, можно использовать для аэрогидродинамических испытаний.

Технологии быстрого прототипирования. В настоящее время существует несколько направлений и подходов, позволяющих реализовать технологии быстрого про­тотипирования. По используемым материалам их можно раз­делить на методы, применяющие жидкости (фотополимеры, электролиты, воду), порошки (спекание однородных или двух-компонентных составов), твердые материалы (пластики, жид­кие смолы, специальные порошки, воски, металлы), листовой материал (ламинированную бумагу, пластик), газы. Процессы построения образцов автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели деталей слож­ной конфигурации. Часть вышеназваных методов находится в стадии исследовательских разработок, часть имеет коммерчес­кое применение.

Сейчас в разных странах используются десятки тысяч уста­новок, позволяющих изготовить прототипы изделий практиче­ски любой степени сложности. В своем большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогосто­ящими установками. Крупные компании, как правило, эксплуа­тируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести, однако габариты и цена с каждым днём падают, а производительность установок и качество моделей растёт.

Ниже рассмотрены следующие технологии послойного полу­чения твердой объемной модели:

1) локальное изменение фазового состояния жидких фото-полимеризующихся композиций и их переход в твердое состояние под воздействием ультрафиолетового лазерно­го излучения (лазерная стереолитография);

2) засветка слоя фоточувствительного полимера;

3) лазерное спекание легкоплавкого порошка;

4) технология FDM (Fused Deposition Modeling) - послой­ная укладка выходящей из фильера полурасплавленной полимерной нити;

5) послойное изготовление модели системой, управляемой от персонального компьютера (3D-принтер).

- проектирование на компьютере чертежа на основе объ­емной (3D) модели с последующим разбиением ее на тонкие поперечные слои с заданным шагом, величина которого равна нескольким сотым долям миллиметра;

- создание файла на основе объемной (3D) модели черте­жа в формате STL (этот формат данных поддерживают пакеты AutoCAD, EUCLID, CATI A, Power Solution и дру­гие системы). Формат STL (STereoLithography — объем­ная литография) получил широкое распространение как формат передачи данных на установки быстрого прото­типирования. При экспорте в STL можно назначить ка­чество модели (количество и параметры треугольной сет­ки) и, таким образом, получить наилучший результат;

Процесс выполняется до тех пор, пока не будет полностью сформирована деталь. Затем платформа поднимается. Деталь снимают с платформы, с ее поверхности удаляют остатки жидко­го фотополимера и подвергают мощному ультрафиолетовому из­лучению для обеспечения заданной прочности. Поскольку послойно выращиваемый объект находится в жидкости, его необходимо жестко зафиксировать на платформе, чтобы избежать смещений и даже отрыва от платформы в резуль­тате воздействия гидродинамических сил, которые появляются при движении платформы с выращиваемой деталью в жидкости, или смещения центра масс выращиваемого объекта. Механичес­кие характеристики (прочность, упругость) тонкой полимерной пленки ограничивают допустимую в процессе послойного изго­товления детали величину выступов.

Скорость создания детали определяется вязкостью жидкой композиции и энергией, необходимой для ее затвердевания, а также глубиной, на которой мощность лазера сокращается примерно на одну треть по сравнению с мощностью на внешней по­верхности. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряжений, которые действуют вотдельных слоях детали и приводят к ее деформации.

В связи с тем, что сфокусированное излучение имеет размеры в несколько десятков микрометров и скорость его перемещения может достигать 1 м/с, можно говорить о создании высокоточ­ной сверхскоростной компьютерной технологии воспроизведе­ния формы пространственных объектов.

По координатам ограничением поточности служат такие параметры, как размер пятна лазерного излучения, динамическая точность позиционирования пятна и характеристика материала. Минимальная толщина стенки составляет 0,2-0,1 мм, программ­ная точность воспроизведения - 0,01 -0,005 мм. Усадка и деформа­ция материала при правильном подборе параметров процесса не превышают 0,1 мм. Следует учитывать, что уменьшение толщины создаваемого слоя ведет к увеличению времени работы и, следова­тельно, увеличению стоимости модели. Обычно стремятся вы­брать оптимальную для конкретной модели толщину слоя.

Размеры выращиваемых деталей ограничены, главным обра­зом, габаритами ванны для полимерной композиции, которые обычно не превышают 500 мм. При этом можно склеить большую деталь из нескольких элементов, полученных отдельно, обрабо­тать и покрасить.

После изготовления прототип помещают в печь для оконча­тельного отвердевания и сушки. Затем образец полируют и шли­фуют. Прочность объектов, созданных с применением лазерных технологий для быстрого изготовления прототипов, позволяет им выдерживать сравнительно высокие напряжения. Готовые мо­дели при нагреве до 100 °С сохраняют форму и размеры. Шеро­ховатость поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм.

Применяемые в лазерной стереолитографии материалы об­ладают хорошей прочностью, прозрачностью, влагостойкостью, легко обрабатываются и окрашиваются. Качество поверхностей без доводки хорошее. При подборе материала учитывается его усадка после полимеризации, влияющая на величину напряже­ний, которые действуют в отдельных слоях детали и приводят к ее деформации. Например, в установках быстрого прототипирова­ния используются композиты PC-ABS из смеси поликарбоната (PC) и пластика (ABS). Эти композиты ценят за то, что они обла­дают жесткостью и высокой температурной стойкостью поликар­боната и вязкостью, свойственной ABS.

Число установок, работающих по этой технологии, насчиты­вает десятки тысяч и быстро растет. Многие крупные компании эксплуатируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Читайте также:

  
• Понятие и виды судебных расходов в административном судопроизводстве реферат
  
• Реферат на тему гражданский процесс
  
• Что такое историческое сознание реферат
  
• Особенности обучения чтению детей с тнр реферат
  
• Острый инфаркт миокарда реферат для медсестер