ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ СОВРЕМЕННОГО ИНЖЕНЕРИНГа

В последнее время в связи с быстрыми темпами экономического развития появляются требования сократить длительность производственного цикла от идеи разработчика к реализации в виде готового изделия. В связи с этим особенную актуальность приобретает такая технология, как быстрое прототипирование, которая предназначена для быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы. В процессе работы над новым проектом, особенно на стадии комплексного проектирования, очень трудно обнаружить разные ошибки и недостатки конструкции, используя только экран дисплея. Имея реальную физическую модель будущего изделия можно обнаружить и устранить разные ошибки, скорректировать пути продолжения процесса проектирования. При этом технология быстрого прототипирования требует наличие трехмерной компъютерной модели прототипа. Прототип изделия можно использовать, как концептуальную модель для визуализации и анализа конструкции, которая позволяет конструкторам выполнить доработку и провести некоторые функциональные тесты, также прототип может служить моделью для изготовления инструментальной оснастки.

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping – RP) – это новая технология, активно развивающаяся в проектной и производственной индустрии. Эта технология приобрела широкое распространение в таких отраслях, как машиностроение, приборостроение, медицина, архитектура, полиграфия. Предоставляет возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путем превращения данных, которые поступают из cad-системы, и получить чертеж и проекты в 3d, только нажав кнопку.При завершении работы в cad-системе над идеей или проектом, можно дать команду "печать", и в течение нескольких часов или дней, в зависимости от размера, получить физическую модель изделия

В сравнении с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках из ЧПУ), появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того, чтобы ожидать физические модели в течение нескольких недель, конструкторы могут получать их через несколько дней или часов. В качестве модельных материалов используются жидкие, порошковые, нитевидные полимеры, полиуретан и силикон, литейный воск, металлопрокат, бумага, гипсовые композиции, плакований литейный песок и ряд, других.

Существуют много методов по изготовлению 3d заготовок, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Стереолитография (Stereolithography - SL)

Рис. 1.1 – Метод прототипирования - Стереолитография

Под действием управляемого компъютером ультрафиолетового излучения происходит затвердение слоя толщиной в несколько сотых миллиметра, при этом платформа с будущей деталью опускается вниз и опять покрывается жидкостью. Дальше все повторяется и в результате ультрафиолетовый луч «рисует» объемную фигуру. Стоимость такой установок достигает 40-60 тысяч долларов США. Преимущества: относительно точный процесс, хорошая детализация деталей, гладкая поверхность исходной детали; недостатки: 1) Ограниченный набор материалов, которые физически могут использоваться в процессе; 2) Невозможность создания цветных моделей; 3) Очень дорогой метод изготовления;

3d-принтер:селективне лазерное спекание (Selective Laser Sintering - SLS)

Рис.1.2 – Метод прототипирования - селективне лазерное спекание

Используется такими компаниями, как, например, DTM корпорации и EOS. Суть технологии заключается в послойном спекании лазерным лучом порошкового материала. В рабочей камере он предварительно подогревается, немного не доходя до температуры плавления. После разравнивания порошка по поверхности зоны обработки, СО2-лазером испекается нужный контур, дальше насыпается новый слой, разравнивается, и процесс повторяется. Готовая модель вытягивается из камеры, а избытки порошка удаляются. Стоимость установок составляет около 400 тыс. долларов США. Преимущества: широкий спектру недорогих и нетоксичных материалов (порошковые полимеры, литейный воск, нейлон, керамика, металлические порошки), низкие деформации и напряжения, возможность одновременно делать сразу несколько моделей в одной камере. Недостатки: менее точный процесс, грубая исходная поверхность, невозможно создавать цветные модели, очень дорога.

Моделирование плавлением (Fused Deposition Modeling - FDM)

Рис.1.3 – Метод прототипирования - Моделирование плавлением

Являет собой. основной частью принтера, которые появились на рынке в 1991 г., есть экструдированная головка. В ней материал (литейный воск или пластики, которая поступает из катушек) нагревается к температуре плавления и подается в зону печати. Головка перемещается по двум координатам, синтезируя определен слой модели. Потом платформа опускается, создается новый слой и так далее. Ориентировочная стоимость fdm-принтера 50-220 тыс. долларов США. Преимущества: легкость перестройки из одного нетоксичного материала на другой, низкие расходы и достаточно высокая производительность, малые температуры переработки, а также минимальное вмешательство оператора, в функционирование оборудования, возможность создания цветных моделей, относительно точный процесс. Недостатки: между слоями образуются швы; головка экструдера должна постоянно двигаться, иначе материал застигнет и замусорит ее; возможное расслоение в случае температурных колебаний в течение цикла обработки; грубая исходная поверхность. Очень дорогой.

Послойное формирование объъемних моделей из листового материала (Laminated Object Manufacturing - LOM)

Рис.1.4 – Метод прототипирования - Послойное формирование объемных моделей из листового материала

Lom-технология была изобретена Михаилом Фейгеном в 1985 г., а сегодня на ее основе производят промышленные установки такие фирмы, как Helisys, Paradigm и Sparx AB. Листовой материал (бумага, пластик, керамика, композиты, или полиестер) раскраивается за заданному контуру с помощью СО2-лазера (можно одновременно раскраивать больше одного листа, однако точность при этом уменьшается), а затем нагревается валик, который осуществляет склеивание слоев. При ошибке в процессе синтеза объемного изделия часть слоев можно удалить. Lom-установки, ориентировочная стоимость которых колеблется в пределах 90-250 тыс. долларов США. Преимущества: Lom-установки, ориентировочная стоимость которых колеблется в пределах 90-250 тыс. долларов США, позволяют применять широкий диапазон недорогих листовых материалов и синтезировать модели с минимальными деформациями благодаря отсутствию физико-химических превращений. Недостатки: однако из-за того, что лазер не всегда полностью прорезает письмо, усложняется удаление отходов и даже не исключено повреждение деталей, а свойства материала могут изменяться. Шершавую поверхность изделия трудно обрабатывать через возможность расслоения, а в рабочем помещении необходимая вентиляция.

RepRap

Рис.1.5 - Метод прототипирования - RepRap

Предназначенный для сбора и публикации информации о трехмерной (3d) печать с помощью 3d-принтеров, прежде всего, основанных на конструкции RepRap. Стоимость такого агрегата составляет 850 - 4000 долларов США. Преимущества: значительно дешевле других, самая главная особенность RepRap заключается в том, что с самого начала он был задуман как система, что репликуеться: принтер, который сам себя распечатывает. Недостатки: ограниченный выбор материалов, а также ручное управление.

Таким образом, прототипування может использоваться в маркетинговых целях, а также при определении боль четко сформированной стоимости изготовления. Контрольные модели уменьшают расходы на проектирование и подготовку производства за счет выявления возможных ошибок на ранних стадиях. Также, физические модели проектируемых изделий усиливают связи и взаимопонимание между проектировщиками и заказчиками, сокращая время выхода продукта на рынок.