что такое быстрое прототипирование
Трехмерная печать и другие системы быстрого прототипирования
Чуть больше недели назад на хабре появилась статья на эту тему, но она слабо освещала техническую сторону печати и вызвала довольно большое число вопросов. Что я постараюсь исправить в данном посте.
При этом изделие создается за один прием, и нет необходимости планирования последовательности технологических процессов. Однако по сравнению со станками с ЧПУ сильно ограничен выбор материала для изделия.
Технология формирования изделий путем постепенного наращивания материала появилась примерно в начале 1980-х годов. В основе процесса лежат 3 этапа: формирование поперечного сечения, послойное наложение сечений и комбинирование слоев. То есть для создания изделия необходимо знать только поперечное сечение. Это решает некоторые из проблем создания изделий:
Существует несколько способов создания и комбинирования слоев поперечных сечений:
Трехмерная печать
Отверждение на твердом основании (SGC- Solid Ground Curing)
Стереолитография (Laser Stereolithography)
Избирательное лазерное спекание (SLS — Selective Laser Sintering)
где 1 — лазер, 2 — оптическая система, 3 — готовое изделие, 4 — подвижная (по оси Z) рабочая платформа, 5 — бункеры для подачи порошкового материала, 6 — порошковый материал, 7 — подвижный стол бункера, 8 — ролик для подачи порошка и выравнивания слоя
Ламинирование (LOM — Laminated Object Modeling)
Наличие дополнительного материала имеет, как плюсы, так и минусы. С одной стороны это позволяет не делать специальные подпорки. Благодаря чему деталь не деформируется в процессе изготовления. Однако удаление этого материала Является довольно не простой задачей. Кроме того невозможно изготовить полую структуру с замкнутыми поверхностями. Также минусом данного метода является большое количество отходов остающихся в рулоне и удаляемых в процессе очистки.
За счет склеивания слоев материала наблюдаются разные физико-механические свойства в зависимости от высоты изделия. Но при этом для изделия можно использовать листовой материал любой толщины, что обеспечивает высокую точность детали.
Хотя метод и применим для многих материалов, включая даже металлы, наибольшей популярностью пользуется бумажное ламинирование.
Быстрое изготовление прототипов стало важнейшей частью CAD/CAM — процесса. Технологии быстрого прототипирования позволяют пользователям за короткое время
проверить данные CAD-систем. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов. Повышается качество материалов и точность прототипов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалеком будущем такие системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора, повышая качество проектирования и сокращая время выпуска новой продукции.
Быстрое прототипирование: в 15 раз быстрее традиционных технологий
Что такое быстрое прототипирование?
Чтобы сохранить и увеличить конкурентоспособность, производители стремятся выводить продукцию на рынок в минимальные сроки. Как достичь этой цели? Один из способов – сократить цикл разработки продукта.
Прототипирование, будучи ключевым этапом разработки, – процесс достаточно трудоемкий: чтобы понять, какое решение будет наиболее эффективным, потребуется длительный этап проектирования и доработок с выполнением ряда итераций.
Для достижения наилучших результатов эту стадию нужно завершать как можно раньше. Быстрое прототипирование, то есть создание прототипов посредством 3D-печати, позволяет существенно сократить цикл разработки и сэкономить ресурсы.
3D-технологии помогают сократить весь процесс, начиная с формулировки идеи до создания физического объекта, до нескольких часов. Быстрое прототипирование дает возможность улучшить и экономические показатели: экономится не только время на разработку, но и трудовые затраты.
Хотите бесплатно протестировать 3D-печать? Закажите изготовление прототипа, макета, мастер-модели или функционального изделия из пластика, фотополимера, воска или гипса:
Создание прототипов: 3D-печать vs традиционные методы
Задачи и сферы применения
3D-печать прототипов позволяет оптимизировать выполнение таких задач, как проектирование и модернизация модели, проверка на собираемость, визуальное представление детали или проекта, макетирование и тестирование для более оперативного запуска новых моделей.
С помощью 3D-принтера отдельно решается задача создания прототипов при изготовлении корпусов различных изделий для проверки на собираемость и функционального тестирования. Также возможна 3D-печать готовых корпусных изделий для применения на производстве.
Технология быстрого прототипирования применяется в следующих областях:
Быстрое прототипирование используется для изготовления как наглядных моделей, которые служат для визуализации идеи продукта и дают возможность оценить и усовершенствовать дизайн, так и функциональных прототипов, позволяющих ускорить реверс-инжиниринг и изготовление деталей, снятых с производства.
С помощью 3D-принтера можно быстро и экономично печатать прототипы обоих видов. 3D-печать помогает оперативно получить прототип с оригинала изделия или с CAD-модели. Точность печати обеспечивает максимальное соответствие изделий данным САПР, что обеспечивает высокое качество печати. При этом специальная оснастка и промежуточные этапы обработки не требуются, поэтому на создание готового объекта уходит, как правило, всего несколько часов.
Благодаря многообразию термопластиков, композитов, полимеров, фотополимеров и других инновационных материалов для 3D-печати пользователь сможет создать изделие именно с теми физико-механическими свойствами и внешним видом, которые необходимы для решения конкретных задач.
Есть вопросы по внедрению 3D-технологий? Получите бесплатную консультацию нашего эксперта!
Какие технологии и оборудование используются для 3D-печати прототипов
Для решения задач быстрого прототипирования в основном применяются следующие аддитивные технологии:
Наша компания предлагает широкий выбор оборудования для 3D-печати прототипов от ведущих производителей:
Разнообразие размеров камеры построения, рабочих характеристик, оригинальных технологических разработок и ассортимента расходных материалов позволят вам подобрать оптимальное решение для вашего предприятия или проекта.
Примеры быстрого прототипирования
Задача: прототипирование компонентов гоночных мотоциклов с целью улучшить конструкцию, аэродинамику, а также комфорт гонщиков при подготовке к чемпионату мира MotoGP.
Решение: 3D-печать прототипов на FDM-принтерах Sharebot 42 и Sharebot Q XXL.
Результат
Задача: создание точной модели позвоночника и трахеи пациента для подготовки к предстоящей операции.
Решение: печать на 3D-принтере ProtoFab SLA450 из фотополимера Formula L1 и вакуумное литье.
Результат:
Задача: оптимизировать процессы разработки и создания комплектующих и аксессуаров для душевых кабин различных типов.
Решение: 3D-печать функциональных прототипов и готовых изделий на профессиональном 3D-принтере Sharebot Q.
Результат:
Задача: изготовление автомобильного бампера длиной 1,6 м.
Решение: 3D-печать цельного изделия на крупноформатном 3D-принтере ProtoFab SLA1600, вакуумное литье, полировка.
Результат:
Задача: НИОКР для аддитивного производства сложных компонентов и изделий для военно-морских судов (проекты 3DCABINS и ADIBUQUE компании Navantia по заказу Военного-Морского Флота Испании).
Решение: создание прототипов и готовых изделий с помощью крупноформатных 3D-принтеров линейки Discovery 3D Printer.
Задача: изготовить прототипы деталей бампера для модели радиоуправляемого автомобиля. Размер деталей: бампер – 107 х 67 х 14 мм, небольшая деталь «вставка» – 28 х 13 х 17 мм.
Решение: 3D-печать из фотополимерной смолы Formula W на стереолитографическом принтере ProtoFab SLA600 DLC (проект выполнен компанией TWIZE).
Результат:
Итоги: кратко
Время – самый дефицитный ресурс современного предприятия. Сэкономить время на изготовление и оценку физической модели продукта, сократить процесс разработки и воспользоваться изменениями на рынке для приобретения клиентов поможет быстрое прототипирование с использованием 3D-печати.
Широкие возможности аддитивных технологий и большой выбор оборудования и расходных материалов позволяют найти подходящее решение в самых разных областях применения и получить высокоточные и прочные модели в кратчайшие сроки.
Опытные эксперты компании iQB Technologies проконсультируют вас по вопросам, связанным с внедрением 3D-технологий, и предложат готовые 3D-решения для вашего предприятия, НИИ или вуза.
Еще больше подробностей и историй внедрения – в нашей бесплатной брошюре:
Технологии быстрого прототипирования
На стадии проектирования изделий массового потребления (от автомашин до упаковки) разработчики сталкиваются с необходимостью визуальной оценки их внешнего вида, правильности конфигураций, собираемости с комплектующими деталями, оценкой возможности сбыта и прочими вопросами. Ответы на них требуют наличия реальной модели (прототипа) изделия, максимально приближенной к своей компьютерной разработке.
ОБЩИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТОТИПОВ
Как правило, технология быстрого создания прототипов состоит из двух основных этапов:
Математическое моделирование. Модели изделия в 3D формате могут быть построены с использованием CAD программ или введены в ПК с оригинала при помощи объемного сканера. После сканирования модель должна быть обработана с помощью какой-либо программы (например, программы CopyCAD в системе Power Solution фирмы DELCAM), чтобы получить законченный вид. Далее она посылается по двум направлениям: в систему подготовки УП (например, в систему Power MILL) и на прототипирование (при необходимости). Работы первого направления завершаются подготовкой УП для оборудования с ЧПУ, а для прототипирования 3D модель должна быть обработана. Специальные программные модули CAD систем (например, модуль CopyCAD Digitise в системе Power Solution фирмы DELCAM) возвращает (придает) 3D модели сеточный вид (рис. 1) и представляет ее в так называемых STL файлах (в STL формате). В этих файлах внешние и внутренние поверхности модели аппроксимируются треугольниками (триангулируются). Качество поверхностей полученной модели во многом зависит от величины допуска на аппроксимацию (рис. 1, в). Как правило, для обеспечения хорошего качества достаточная величина допуска составляет ∆ = 0,1 мм. Полученное описание поверхности модели записывается в файл.
Формат STL (Stereolithography Text Language), первоначально разработанный для процесса стереолитографии, в дальнейшем был принят за основу для других процессов послойного синтеза. В настоящее время STL является графическим стандартом представления данных о модели для систем быстрого прототипирования. В его основе лежит метод 3-мерной триангуляции поверхности модели, которая осуществляется треугольниками и может быть сглажена геометрическими фигурами более высокого порядка, за счет чего достигается высокая точность и воспроизводимость синтезируемой поверхности.
В CAD системе обычно существует и программный модуль (например, Trifix в системе Power Solution), с помощью которого сеточная 3D модель в STL формате может быть отредактирована и исправлена. После этого возможно получить прототип разработанной 3D модели.
Прототип, изготовленный механообработкой, может использоваться практически для любых целей: как мастер-модель под выкладку изделий из стеклопластика, получения заливочных форм для тонкостенных изделий с использованием специальных восков, контрольной сборки с другими изделиями, дизайнерских оценок и т.д. До последнего времени такие прототипы как правило изготавливались из древесины, однако обеспечить стабильность и точность возможно только на специальных модельных материалах.
ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
Технологии быстрого прототипирования относят к методам, основывающимся на добавлении материала (в отличие от классической механообработки). Их принято подразделять по типу расходных материалов на жидкие, порошкообразные и листовые твердотельные.
Процессы с жидкими расходными материалами подразделяются в свою очередь на процессы отвердения посредством контакта с лазером, отвердения электрозаряженных жидкостей или отвердения предварительно расплавленного материала.
Процессы с порошкообразными материалами осуществляют скрепление частиц под воздействием лазера или выборочного нанесения связующих компонентов.
Процессы с твердотельными листовыми материалами могут быть классифицированы по способу их соединения: лазером либо слоем адгезива.
Наиболее используемые технологии быстрого прототипирования:
Каждая из RP технологий основана на определенном методе создания прототипа, имеет свои особенности и обладает определенными преимуществами и недостатками при решении конкретных задач.
Метод послойного синтеза наиболее распространен. С его помощью могут быть получены модели-прототипы практически неограниченной сложности. При этом математическая модель изделия должна передаваться в установки в виде STL файлов. Специальное математическое обеспечение установок разбивает модель на ряд плоских параллельных сечений (рис. 2), отстоящих друг от друга на малое (0,05-0,4 мм) расстояние, определяемое требованиями установки. При этом каждое сечение исполнено с внешним и внутренним контуром, а контуры могут быть различной сложности. Далее эти сечения последовательно воспроизводятся установками (как плоские объекты) из различных материалов: ламинированной бумаги, бумаги, фотополимера, полимерного или металлического порошка, полимерной нити, воска, специального силикатного песка. Последовательное соединение (наслоение) плоских объектов-сечений приводит к синтезу изделия-прототипа.
Технология стереолитографии StereoLithography (SLA). В основу процесса положено отвердение жидкого фоточувствительного полимера под действием экспонирования ультрафиолетового излучения (UV). В основном технология используется для получения прототипов с целью проверки конструкции и собираемости, а также мастер-моделей для последующего тиражирования в силиконовых формах. Используемые расходные материалы позволяют получать функциональные прототипы с различными физико-механическими свойствами, температурной стойкостью, прозрачностью и т.д.
Прототип создается на платформе, перемещающейся в направлении оси построения моделей (Z) и находящейся внутри ванны с жидким полимером. Ультрафиолетовое излучение вырабатывается гелиево-кадмиевым либо аргон-ионным неподвижным излучателем (лазерной пушкой) и позиционируется на поверхности полимера при помощи подвижного зеркала. Поглощение и рассеивание светового пучка происходит непосредственно вблизи поверхности, в результате чего образуются трехмерные пиксели (объемные элементы).
В процессе получения прототипа используют поддержки (то есть внутренние или внешние «переборки»), которые создаются на стадии компьютерной обработки 3-мерного вида модели при помощи различных программ.
Преимущества технологии StereoLithography (SLA):
Недостатки технологии StereoLithography (SLA):
В результате применения технологии можно получить функциональные прототипы пластиковых деталей, песчаные формы и стержни для металлургии, модели для литья по выплавляемым моделям, а также металлические детали или фрагменты формообразующих элементов пресс-форм.
Данная технология используется в основном для получения единичных функциональных прототипов либо как альтернатива тиражированию в силиконовых формах для получения партии деталей в несколько десятков экземпляров.
Принцип действия установок отражен на рис. 4. Над основанием (1), которое размещено в ванне (5), проходит каретка с роликом (2) и наносит тонкий однородный слой порошка около 0,15 мм (3). Ролик разравнивает порошок. Луч лазера (4), управляемый компьютером установки, перемещаясь по программе данного сечения, спекает порошок в местах, где должны быть стенки модели. После этого платформа опускается на величину следующего слоя, из картриджа выделяется очередная порция расходного материала, который калибруется прокатным валиком. Основание вновь опускается, наносится следующий слой, после чего луч лазера спекает как сам материал, так и место соединения его с предыдущим слоем, обеспечивая целостность детали. Далее процесс повторяется.
В завершение готовая модель отделяется от неспеченного порошка. Некоторые установки позволяют получать детали с габаритами до 300 х 330 х 430 мм.
При работе по технологии лазерного спекания у модели не нужны подпорки, так как сам порошок поддерживает спекаемую модель. При этом удаляемый порошок можно использовать повторно. Медленное остывание порошкового объема предотвращает значительные деформации формы изделия.
Мощность лазера составляет не более 50 Вт в ИФ диапазоне (1,06 или 10,6 мкм). Контроль уровня порошка в камере осуществляется аналогично процессу стереолитографии. Подогрев камеры снижает затраты лазерной энергии на нагрев порошка и уровень деформаций. Возможна подача азота в камеру (98%), чтобы избежать окисления при нагреве порошков.
Преимущества технологии Selective Laser Sintering (SLS):
Недостатки технологии Selective Laser Sintering (SLS):
Преимущества технологии Solid Ground Curing (SGC):
Недостатки технологии Solid Ground Curing (SGC):
Широкий набор основных цветов используемого материала (белый, синий, желтый, черный, красный и зеленый) позволяет моделировать изделие любого цвета.
Формирование с помощью FDM технологии созданного в CAD системе 3-мерного объекта сводится к преобразованию CAD файла в STL формат и изменению STL описания моделируемого объекта в набор данных, характеризующих послойные поперечные сечения требуемого разрешения. Затем эти данные транслируются в файл машинных команд SML формата, по которым и осуществляется синтез.
При работе установки математическая модель детали (1) передается в формате STL в специальное программное обеспечение ПК, под управлением которого работает установка FDM. Программа оптимально ориентирует модель, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нити. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели.
При работе установки ее головка выстраивает геометрию модели-прототипа, выдавливая полимерную нить через фильеру, нагретую до 270° С. Вторая фильера выстраивает поддержку. Головка (4) перемещается в направлении X-Y, или сам координатный стол (платформа) (7) позиционируется, послойно синтезируя модель. Платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели (5) с поддержкой (6).
Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки. Например, размер рабочей зоны установки модели FDM Maxum (фирма Stratasys Inc., США) обеспечивает получение модели размером до 600 х 500 х 600 мм.
Если для построения модели-прототипа использовалась поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне.
Технология использования водорастворимой поддержки носит название waterworks и реализована в ряде FDM моделей фирмой Stratasys Inc. Модель, изготовленная с применением этой технологии, остается гладкой и чистой, с сохранением мельчайших деталей.
Преимущества технологии Fused Deposition Modeling (FDM):
Для получения гладкой поверхности иногда применяется вторая нагревающая головка.
Формирование модели осуществляется послойно путем разбрызгивания по поверхности материала (это может быть и воск) капельками размером 50 мкм со скоростью 12 500 капель/сек.
Уровень формирует тонкий слой. Толщину слоя варьируют путем изменения скорости разбрызгивания.
Построение прототипа осуществляется на столе-основании (4), относительно которого в соответствии с направлениями X-Y может перемещаться головка с соплами. Каждый ход головки (при включенных для напыления соплах) определяет напыления слоя полимера толщиной 20 мкм, который тут же отверждается светом размещенной на головке ультрафиолетовой лампы. В соответствии с программой, определенной ПК для каждого слоя, происходит напыление как основного материала (2), так и материала поддержки (3). По мере напыления слоев стол с создаваемым прототипом смещается по оси Z.
В изготовленном прототипе материал поддержки удаляется водой.
Процесс отражен на рис. 3. Бумага (9) с рулона (8) протягивается над платформой (6) в рабочую зону и горячим валиком (10) прикатывается к основанию или предыдущему слою бумаги (в обойме) (5), к которому и приклеивается. Затем луч (1) лазера (3), управляемый компьютером, прорезает в введенном слое бумаги контур (2) (рис. 3,б), повторяющий границу сечения модели.
Можно одновременно раскраивать более одного листа, однако точность метода при этом уменьшается. Ошибки, возникающие при синтезе объемного изделия, можно устранить путем удаления части слоев. Поле, расположенное вне контура сечения (внутри и снаружи), прорезается лазером на мелкие квадраты (4) для их последующего удаления.
Платформа (6) опускается на шаг, поступает новая порция материала, а отработанный участок бумаги свертывается в рулон (7). Далее процесс повторяется для следующих слоев: новый слой-скрепление-резка лучом лазера (рис. 3, в). Изготовление модели завершается ручным удалением ненужного материала. При необходимости поверхность зачищается и покрывается защитными лаками (рис. 4).
При синтезе объемной модели возможно наличие переборок-подпорок. В этом случае после окончания процесса требуется их удалить и тщательно контролировать влажность детали, чтобы избежать расслоения при чрезмерной просушке.
Преимущества LOM технологии:
Эти и другие преимущества обеспечили LOM технологии большую применимость. В частности, в машиностроении она может использоваться для изготовления:
Недостатки LOM технологии:
3D принтеры фирмы Z Corp. (США) при создании трехмерной модели-прототипа послойно воздействуют на порошок не лазером, а специальными связующими веществами. Так, например, рассматриваемые 3D принтеры работают с нетоксичными порошковыми материалами на основе крахмала или гипса и с водным связующим веществом.
После окончания построения несвязанный порошок удаляется, объект очищается от его остатков в специальной установке, в которую входит набор насадок, позволяющий обрабатывать практически любые труднодоступные участки, в том числе глубокие полости.
В отличие от многих установок быстрого прототипирования оборудование Z Corp. пригодно для создания геометрических форм любой сложности без поддерживающих структур, поскольку все нависающие элементы фиксируются несвязанным порошком.
Сформированные объекты, пропитанные воском или специальной смолой ZR10 (цианоакрилат), могут играть роль мастер-моделей для изготовления литьевых форм. Возможно применение «напечатанных» объектов в таких процессах, как литье в землю, литье в гипсовые формы, термоформование. Следует также отметить возможность нанесения на гипсовые и крахмальные детали гальванопокрытия.
Цветной 3D принтер может не только расширить возможности промышленного дизайна, но и решить такие задачи, как наглядное представление результатов анализа механических и тепловых напряжений, создание моделей молекул или медицинское моделирование и др.
Кроме рассмотренных выше имеется и еще целый ряд систем и установок прототипирования, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками.
П.П. Серебреницкий
Журнал «РИТМ», сентябрь-октябрь 2008 г.