Прототипирование является обязательным этапом в процессе
разработки любого нового изделия. Создание качественного
прототипа, максимально похожего на будущее изделие - весьма
непростая задача. Приходится решать проблему точного повторения
геометрической формы, собираемости, внешнего вида и поиска
материалов, максимально похожих на заданные. В последнее время
популярными стали технологии быстрого прототипирования (RP -
rapid prototyping), то есть послойного синтеза макета по
компьютерной модели изделия, Современный прототип позволяет не
только оценить внешний вид детали, но и проверить элементы
конструкции, провести необходимые испытания, изготовить
мастер-модель для последующего литья. Использование RP-технологий
в прототипировании способно на 50 - 80% сократить сроки
подготовки производства, практически полностью исключить
длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов
вручную, или на станках с ЧПУ.
Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной
модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными
контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном
сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого
слоя равна разрешающей способности оборудования по z-координате.
Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку.
Построение детали происходит послойно тех пор, пока не будет
получен физический прототип.
Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова:
на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой
материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем
элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой.
Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели
повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое
может оказаться, что отдельные элементы "повисают" в воздухе,
поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать
такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней
строится система поддержек на каждый такой элемент.
Основным различием между технологиями прототипирования является
прототипирующий материал, а также способ его нанесения. В мире
существует всего несколько компаний, изготавливающих
RP-установки, они постоянно совершенствуют технологию и
разрабатывают новые материалы. Остановимся на самых основных
технологиях, рассмотрим их характеристики, достоинства и
недостатки.
Стереолитография является самым первым и наиболее
распространенным методом прототипирования, во многом благодаря
достаточно низкой стоимости прототипа. Принцип метода состоит в
послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом,
направляемым сканирующей системой. Элеватор находится в емкости с
жидкой фотополимерной композицией, и после отверждения очередного
слоя смещается вниз с шагом 0,025-0,3 мм. Используется достаточно
твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный
короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко
обрабатывается, склеивается и окрашивается. Качество поверхностей
без доводки хорошее.
Институт проблем лазерных и информационных технологий
РАН www.laser.ru
Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное
спекание порошковых материалов)
В SLS технологии в качестве рабочего материала используются
порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к
конструкционным маркам. На поверхность наносится тонкий слой
порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую
массу, соответствующую сечению 3D-модели и определяющую геометрию
детали. SLS это единственная технология, которая может быть
применена для изготовления металлических деталей и
формообразующих для пластмассового и металлического литья.
Прототипы из пластмасс обладают хорошими механическими
свойствами, могут быть использованы для создания
полнофункциональных изделий.
Используются нити из АБС, поликарбоната или воска. Свойства
используемых пластиков очень близки к конструкционным маркам.
Термопластичный моделирующий материал подается через
выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь
там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень
тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью.
Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются
друг с другом. Технология применяется для получения единичных
образцов изделий, по своим функциональным возможностям
приближенных к серийным, а также для производства выплавляемых
моделей для литья металлов.
Все технологии имеют свои особенности, но функционируют по одному
принципу. Головка, содержащая от двух до 96 сопел наносит
модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После
нанесения слоя, могут проводится его фотополимеризация и
механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала
обычно используется воск, а в качестве модельного - широкий
спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным
термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и
окрашенные прототипы с различными мехпническими свойствами - от
мягких, резиноподобных до твердых, похожих на пластики.
Технология склеивания порошков (binding powder by
adhesives)
Используются крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на
водяной основе, который поступает из струйной головки и связывает
частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения
излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели,
имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие
технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной
формы, но еще и раскрашивать их.
Технология LOM (Laminated Object Manufacturing -
ламинирование листовых материалов).
Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного
листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую
нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После
извлечения детали мелко порезанные излишки материала легко
удаляются. Структура полученного прототипа похожа на древесную,
боится влаги.
Производители оборудования:
Helisys, Inc. - выпуск прекращен
SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через
фотомаску
Для создания слоя, на поверхность распыляется тонкий слой
фоточуствительного пластика. Затем этот слой облучается
ультрафиолетом через фотомаску с изображением очередного сечения.
Неэкспонированный материал удаляется вакуумом, оставляя
затвержденный материал, который повторно облучается жестким
ультрафиолетом. Свободные области заполняются воском, который
обеспечивает поддержку для следующих слоев. Перед нанесением
следующего слоя поверхность механически выравнивается.
Производители оборудования:
Cubital Inc. - выпуск прекращен.
Точность изготовления прототипа в разных методах и на различных
установках находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм по каждой
координате. При уменьшении толщины слоя точность растет, но
падает скорость изготовления, и как следствие - повышается его
стоимость. Стоимость прототипа зависит, в первую очередь от его
объема. По состоянию на 2006 год цена одного кубического
сантиметра модели составляла от 1 до 5 долларов США, в
зависимости от используемой технологии.
16 октября 2009 в 01:25
Прототипирование является обязательным этапом в процессе разработки любого нового изделия. Создание качественного прототипа, максимально похожего на будущее изделие - весьма непростая задача. Приходится решать проблему точного повторения геометрической формы, собираемости, внешнего вида и поиска материалов, максимально похожих на заданные. В последнее время популярными стали технологии быстрого прототипирования (RP - rapid prototyping), то есть послойного синтеза макета по компьютерной модели изделия, Современный прототип позволяет не только оценить внешний вид детали, но и проверить элементы конструкции, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья. Использование RP-технологий в прототипировании способно на 50 - 80% сократить сроки подготовки производства, практически полностью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную, или на станках с ЧПУ.
Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования по z-координате. Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку. Построение детали происходит послойно тех пор, пока не будет получен физический прототип.
Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может оказаться, что отдельные элементы "повисают" в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек на каждый такой элемент.
Основным различием между технологиями прототипирования является прототипирующий материал, а также способ его нанесения. В мире существует всего несколько компаний, изготавливающих RP-установки, они постоянно совершенствуют технологию и разрабатывают новые материалы. Остановимся на самых основных технологиях, рассмотрим их характеристики, достоинства и недостатки.
Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)
Стереолитография является самым первым и наиболее распространенным методом прототипирования, во многом благодаря достаточно низкой стоимости прототипа. Принцип метода состоит в послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом, направляемым сканирующей системой. Элеватор находится в емкости с жидкой фотополимерной композицией, и после отверждения очередного слоя смещается вниз с шагом 0,025-0,3 мм. Используется достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Качество поверхностей без доводки хорошее.
Производители оборудования:
Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)
В SLS технологии в качестве рабочего материала используются порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к конструкционным маркам. На поверхность наносится тонкий слой порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую массу, соответствующую сечению 3D-модели и определяющую геометрию детали. SLS это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей и формообразующих для пластмассового и металлического литья. Прототипы из пластмасс обладают хорошими механическими свойствами, могут быть использованы для создания полнофункциональных изделий.
Производители оборудования:
Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)
Используются нити из АБС, поликарбоната или воска. Свойства используемых пластиков очень близки к конструкционным маркам. Термопластичный моделирующий материал подается через выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом. Технология применяется для получения единичных образцов изделий, по своим функциональным возможностям приближенных к серийным, а также для производства выплавляемых моделей для литья металлов.
Производители оборудования:
Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)
Различные запатентованные разновидности этой технологии называются:
Все технологии имеют свои особенности, но функционируют по одному принципу. Головка, содержащая от двух до 96 сопел наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя, могут проводится его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного - широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными мехпническими свойствами - от мягких, резиноподобных до твердых, похожих на пластики.
Производители оборудования:
Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)
Используются крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на водяной основе, который поступает из струйной головки и связывает частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели, имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их.
Производители оборудования:
Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов).
Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения детали мелко порезанные излишки материала легко удаляются. Структура полученного прототипа похожа на древесную, боится влаги.
Производители оборудования:
SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску
Для создания слоя, на поверхность распыляется тонкий слой фоточуствительного пластика. Затем этот слой облучается ультрафиолетом через фотомаску с изображением очередного сечения. Неэкспонированный материал удаляется вакуумом, оставляя затвержденный материал, который повторно облучается жестким ультрафиолетом. Свободные области заполняются воском, который обеспечивает поддержку для следующих слоев. Перед нанесением следующего слоя поверхность механически выравнивается.
Производители оборудования:
Точность изготовления прототипа в разных методах и на различных установках находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм по каждой координате. При уменьшении толщины слоя точность растет, но падает скорость изготовления, и как следствие - повышается его стоимость. Стоимость прототипа зависит, в первую очередь от его объема. По состоянию на 2006 год цена одного кубического сантиметра модели составляла от 1 до 5 долларов США, в зависимости от используемой технологии.
Автор: Зорин С.Ф.
Комментарии (1)
Вот здесь: http://hackaday.com/2008/11/06/3d-printer-uses-office-paper/ говорится, что технология, использующаяся в принтере Mcor Matrix, несколько отличается от LOM. В качестве материала используется обычная офисная бумага.
Русскоязычный обзор: http://www.3dnews.ru/news/samii_deshevii_3d_printer_ot_mcor_technologies/ называется "Самый дешевый 3D-принтер от Mcor Technologies", однако, цен не указано.
Оба обзора - прошлогодние.
На сайте производителя http://www.mcortechnologies.com информации найти не удалось.
Вы не можете комментировать запись. Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.