Изработка на модели чрез бързо прототипиране

Начало > Българската индустрия > Статии > 20.04.2023

Изработка на модели чрез бързо прототипиране | Инженеринг ревю, снимка 1
Изработка на модели чрез бързо прототипиране

В днешно време бързината и разходите при внедряване на нови изделия в производство зависят непосредствено от ефективността на работа на всяко технологично звено на всеки един етап от конструирането и проектирането. За ускоряване на процеса чувствително допринасят високотехнологичните методи на 3d моделиране и създаване на геометрични и функционални копия на детайлите.

 

Предимства на технологията

Обединяването на комплекс от операции в единен технологичен процес позволява в съкратени срокове - няколко часа вместо няколко седмици или месеци - да бъдат изготвени прототипи на изделия или инструменти с необходимата степен на прецизност, без предварителни разходи за подготовка на производствено оборудване. Изготвянето на различни детайли със сложна форма е от голямо значение и в такива сфери като изработка на протези или реставрация на обекти.

В условията на конкуренция новите изделия трябва да бъдат разработени бързо, с малко разходи, а конвенционалните методи не винаги отговарят на динамиката на пазара. Съкращаването на производствените цикли и увеличаването на асортимента от изделия, заедно с нарастващите изисквания за високо качество на продукцията, логично водят до развитие на нови методи в конструирането, проектирането и производството, един от които е бързото изготвяне на прототипи (Rapid Prototyping).

 

Същност и развитие на бързото прототипиране

Бързото прототипиране, най-общо казано, представлява производство на модели на произволни детайли с различна степен на функционалност при възможно най-кратки срокове. Характерни за процеса на прототипиране са високотехнологичните методи, чрез които се генерират сложни тримерни обекти непосредствено от 3d модели. При повечето процеси детайлите се изграждат послойно, като на всеки етап бива изграден един напречен разрез на изделието.

Първите приложения за бързо изработване на прототипи бяха фокусирани главно върху модели за проверка на формата на детайлите и техния монтаж. През последното десетилетие обаче бързото прототипиране се превърна в технология, приложима при оценката на работоспособността на проектираните изделия, за създаване на модели, използвани във функционални изпитания, както и при изготвяне на модели за леярски форми, за 3д принтиране/печат.

 

Предимства при използването на технологиите за бързо прототипиране

Все по-широкото им навлизане е обусловено от няколко фактора. Технологиите за бързо прототипиране помагат да бъде проверена изпълнимостта на нови концепции и да бъде оценена пригодността и работоспособността на разработвани нови сложни механизми. Бързото прототипиране прави възможна разработката на ново изделие в няколко направления едновременно, като са гарантирани висока точност, скорост и възпроизводство на копия на изделия или машини.

Самите копия могат директно да бъдат ползвани за тестове. Изделията могат да бъдат изготвени директно от CAD геометрията (direct tooling). Производството на модели чрез бързо прототипиране е сравнително евтин процес, като характеристиките на детайлите са по-добри в сравнение с изготвените ръчно и значително по-скъпи аналози. Изследвания сочат, че фирмите използващи бързо прототипиране съкращават многократно времето на производствения цикъл на нови изделия.

 

Технологии за бързо прототипиране

За осъществяване на гореспоменатите задачи са създадени най-разнообразни технологични системи за лазерен и нелазерен синтез на 3d детайли. Разработени са различни методи, сред които индустриално приложение намират:

 

  • Изготвяне на изделия от листов материал (Laminated Object Manufacturing)

При този метод лазерен лъч разкроява листов материал - метално фолио, полимерен филм и т.н. – с последващо присъединяване на разкройките чрез залепване или спояване. По този начин могат да бъдат формирани както самият детайл, така и форма за отливането му от по-устойчив материал. Характерни за този метод са високата скорост на изпълнение и липсата на деформация на изделието, но са налице проблеми с присъединяването на листовете един към друг, висок процент практически неизползваеми отрезки и невъзможност за създаване на изделия със сложна форма и вътрешни кухини.

 

  • Лазерна стереолитография (Laser Stereolitography)

Тя представлява метод за създаване на твърди модели посредством въздействие на ултравиолетово лазерно лъчение върху течни фоточувствителни полимери, които под действието му полимеризират върху движеща се във вертикална посока платформа, така че послойно бива изготвено самото изделие. Типични за лазерната стереолитография са сравнително високата скорост на създаване на обекта и възможността за вторично използване на неполимеризирания материал.

От друга страна трябва да бъдат отчетени необходимостта от работа със скъпи ултравиолетови лазерни установки и течни фоточувствителни полимери, повишената възможност за деформация на обекта и фактът, че моделът до голяма степен е само макет на изделието и механичните му характеристики позволяват малък брой цикли на изготвяне на форми за леене. Въпреки тези недостатъци лазерната стереолитография е сред най-широко използваните методи за бързо прототипиране.

 

  • Метод на повърхностното втвърдяване (Solid Ground Curing)

Този метод използва чувствителен към ултравиолетова светлина фотополимер, но платформата се придвижва както във вертикално, така и в хоризонтално направление. Светлинният източник в случая не е лазерен лъч, а ултравиолетова лампа, която облъчва камерата и втвърдява целия слой наведнъж. За избор на области, които следва да бъдат изсушени, се използва фотомаска върху стъклена плоча, която впоследствие се изтрива.

Друга разлика е използването на восък, което елиминира необходимостта от поддържащи структури. След като даден слой бъде облъчен от УВ лампата, участъците, които не са запълнени с остатъчен течен полимер, се заменят с восък, който се втвърдява, след което слоят се калибрира до желаната височина. Също е добре познат метод за прототипиране.

 

  • Моделиране чрез отлагане на разтопен материал (Fused Deposition Modeling)

Тази технология представлява послойно сплавяне на нагрети полимерни нишки. От специална глава с контролируема температура се екструдира и разполага послойно течен термопластичен материал. Проектираният обект се получава във вид на 3d твърдотелен детайл. При този метод точността във вертикална равнина е сравнително ниска.

 

  • Многофазово струйно моделиране (Multijet Modelling)

При  него смес от полимер и прах се нагрява до температура 70 - 100° С и се нанася с помощта на управляема дюза. В последствие може да се наложи и допълнително калибриране. Технологията намира приложение в 3D принтирането.

 

  • Селективно лазерно синтероване (Selective Laser Sintering - SLS)

То в известна степен наподобява лазерната стереолитография, но като работен материал се използват специални прахообразни композити. Типичната SLS установка включва мощен лазер, управляван от компютър, който дава възможност да се реализира сканиране по произволен предварително дефиниран равнинен контур.

По този начин послойно се възпроизвежда изделие с произволна форма. 3d моделът на детайла се зарежда в управляващия софтуер, който отсича контур, сканиран с лазерния лъч. Софтуерът позволява динамична промяна на различни параметри, като стъпка по координатите X и Y, брой импулси във всяка точка, време за преместване на лъча от точка в точка, размер на полето и преместването му относно лъча и т.н.

 

Последователност на операциите

Прахообразният работен материал се зарежда в контейнер. За основа на бъдещия прототип служи работна платформа, която може да се премества по ос Z с произволна стъпка. Чрез специален механизъм се осъществява равномерно нанасяне на прахообразния материал върху повърхността на работната платформа.

След това се извършва сканирането - лазерният лъч синтерова (разтапя) праха по зададения от компютъра контур. Когато обработката на сечението приключи, работната платформа се премества във вертикално направление и се нанася нов слой прахообразен материал. След завършване на изграждането на обекта несинтерованият прах се рециклира за повторно използване.

Чрез метода на селективното лазерно синтероване могат да се създават модели от материали с различни физически и химически характеристики.

От потребителска гледна точка основните аспекти при вземане на решение как да бъде произведен определен детайл са време, цена и функционалност. Всеки от методите за бързо прототипиране има недостатъци по отношение на някой от тези параметри, а всеки процес има ограничения, обусловени от разходите, прецизността, материалите, геометрията и размера.

По отношение на софтуерните инструменти и форматите за обмен на данни в процеса на прототипиране: използват се мрежи от триъгълни елементи, които апроксимират със зададено отклонение теоретичната повърхнина на реалния детайл (STL формат). Всички производители предоставят софтуерни инструменти за проверка, корекция и разделяне на моделите.

 

Финишна обработка на моделите

След изработката на обемното изделие, независимо от ползвания метод, се получават модели или почти готови техни компоненти от восък, пластмаса, метал, хартия или композитни вещества. Тези модели по отношение на геометрията са в значителна степен точни копия на проектираните детайли.

От прототипните компоненти могат да бъдат сглобени по-сложни изделия, но в много случаи е необходимо провеждането на ред допълнителни операции с цел да бъде увеличена якостта им, да се намали грапавостта на повърхността и т.н. За тази цел технологиите за бързо прототипиране могат да бъдат допълнени от последваща обработка - втвърдяване, изсушаване, инфилтрация на някакъв материал, нанасяне на повърхностни покрития и др.

Технологиите за бързо прототипиране лесно и безпроблемно се интегрират в съществуващия производствен цикъл по създаване на нови изделия, без да изискват значителни разходи. Те осигуряват възможност за създаване на функционалните компоненти на дадена нова разработка директно от техните компютърни модели.


Вижте още от Българската индустрия


Ключови думи: бързо прототипиране, 3D моделиране, CAD, лазерна стереолитография, селективно лазерно синтероване



Top