3. Технология быстрого прототипирования.

Развитие вычислительной техники, способной оперировать трехмерными образцами в сочетании с концентрированными мощными точечными источниками энергии (в том числе и лазерными), позволило создать целое направление технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping — RP).

Технологии быстрого прототипирования стремительно вошли в современные отрасли промышленности (автомобилестроение, авиацию, медицину, электронику, ювелирное производство и многие другие). Такое бурное внедрение RP-технологий обусловлено значительным снижением сроков создания конструкции, ее отработки по всем направлениям (оптимальность конструктивных решений, дизайн, модельная проверка работоспособности в сочетании с деталями проектируемого механизма и т.д.). Рыночные условия требуют выпуска нового изделия в кратчайшие сроки с минимальными затратами.

Новая сложная, высокотехнологичная продукция требует проведения долгосрочных НИОКР. Нужно решить не только конструкторские задачи, изготовить множество экспериментальных образцов моделей, но и провести весь комплекс экспериментально-исследовательских и научно-исследовательских работ, обеспечить технологическую подготовку производства и многое, многое другое.

Наиболее трудоемким в процессе создания нового образца является этап НИОКР. RP-технология решает эту задачу на этапе НИР и ОКР в десятки раз быстрее, несмотря на большие затраты, связанные с приобретением специального оборудования, а подготовка производства с помощью RP-технологий не только сокращается по срокам, но и обеспечивает получение готовой продукции высокого качества.

Все западные крупные фирмы, работающие над созданием и выпуском сложной наукоемкой технической продукции, оснащены не только отдельными установками но быстрому прототипированию, но и имеют целые комплексы — RP- технологий.

RP-технология — это очень емкое понятие, включающее в себя большое многообразие приемов и средств получения прототипа изделия по 3D CAD-модели.

Технология быстрого прототипирования.

Технология быстрого прототипирования — это процесс получения в достаточно короткое время прототипа, что исключает ряд операций из трудоемкого технологического процесса.

Быстрое прототипирование позволяет быстро сделать опытный образец, так же быстро: обнаружить ошибки; внести изменения в конструкторскую документацию; принять решение о правильном выборе конструктивного решения; изготовить технологическую оснастку по уточненной конструкторской документации и передать изделие на испытания.

Закономерно, что технологическая оснастка, выполненная по традиционной технологии, на которую затрачено много времени и средств, на этапах отработки конструкции практически всегда оказывается негодной, а ее доработка — нерентабельной и, как правило, идет на выброс. RP-технология минимизирует риски конструкторских и технологических решений.

Практическое использование прототипов можно разделить по группам.

1. Смотровые модели необходимы конструкторам и технологам для оценки правильности конструкторских решений и оптимальности технологического пути изготовления самой детали по всему циклу ее производства, для оценки формы и внешнего вида.

2. Изготовление моделей деталей одного механизма в собранном виде позволяет решить ряд прикладных задач: проверку собираемости механизма, его функциональные и механические возможности, оценку и отработку окончательной конфигурации отдельных деталей. Все это обеспечивает короткие сроки внесения изменений в CAD-модель, до начала запуска ее в производство.

3. Быстрое получение готовой металлической детали возможно при использовании прототипа в качестве выжигаемой модели. Это обеспечивает получение детали за считанные дни, исключая тем самым (в случае изготовления по традиционной технологии) ряд технологических операций: моделирование, формование, механоработку.

4. Изготовление деталей из пластмасс без дорогостоящих пресс- форм. Причем изготовление пластмассовых деталей можно разделить на способы: заливкой полимера в силиконовую форму и прессование в металлополимерную форму.

5. Использование пресс-форм из металлополимера позволяет в короткие сроки изготавливать резино-технические детали, исключив дорогостоящий и длительный процесс механической обработки и доводки формы.

6. Использование силиконовых форм дает возможность отливать литейные стержни из гипса и воска, а также полимерные детали из АВС пластиков и других литейных смол.

RP-системы.

Существуют различные RP-системы, обеспечивающие изготовление моделей и оснастки. Все системы быстрого прототипирования имеют один схожий принцип построения реальной модели — это принцип послойного ее формирования. Различаются эти системы не только материалами, из которых формируется изделие, но и особенностями соединения слоев между собой, временем и точностью изготовления, стоимостью оборудования и условиями ее эксплуатации.

К технологиям быстрого прототипирования относятся:

— стереолитография (STL — stereolitography, в том числе SLA- процесс);

— отверждение на твердом основании (SGC — Solid Ground Curing);

— нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modeling);

— распыление термопластов (BPM — Ballistic Particle Manufacturing);

— лазерное спекание порошков (SLS — Selective Laser Sintering);

— моделирование при помощи склейки (LOM — Laminated Object Modeling).

Все эти технологии предполагают наличие трехмерной компьютерной модели детали.

Дадим краткий анализ некоторых технологий.

SLA-процесс (лазерная стереолитография)

SLA-процесс относится к наиболее распространенной технологии быстрого прототипирования. Качество поверхности изделия, полученного этим путем, аналогично качеству изделия, получаемого механической обработкой, а геометрия изделия не требует никакой ручной доработки — в отличие от механической обработки, где в ряде случаев не выполняются требования чертежа из-за невозможности в подходах инструмента.

Принцип «выращивания» модели заключается в послойной полимеризации фотополимера с помощью лазера Не — Са, Nd: YV04 или Аг — ионах лазеров, работающих в области УФ-излучения (длина волны 320 — 370 нм) с мощностью 10 — 200 мВ. Процесс позволяет добиться линейной точности ±100 мкм при толщине слоя 50 мкм с последовательным «свариванием» слоев между собой. Полимеризация проходит только в тех местах слоя, которые попали в данное сечение. Время на полимеризацию одного слоя колеблется от 15 до 40 с.

К недостаткам можно отнести высокую цену фотополимера. Кроме того, фотополимеры обладают резким запахом, весьма токсичны и требуют защиты от прямой засветки различными источниками света для избежания преждевременной полимеризации. Готовое изделие требует осторожности при дальнейшей с ним работе, так как полимеризованный материал имеет невысокие механические свойства.

Неэкспонированный фотополимер пригоден для последующего использования. После полимеризации материал становится экологически нейтральным.

SGC-процссс.

Особенностью данного процесса, в отличие от SLA-процесса, является одновременное отверждение всего слоя фотополимера, ограниченного маской в заданном сечении, что значительно повышает производительность изготовления прототипа. Образующиеся полости при изготовлении модели заполняются специальным составом, что обеспечивает повышение прочности готового изделия.

Достигаемая линейная точность колеблется в пределах ±400мкм при толщине слоя 100 мкм, а время полимеризации одного слоя составляет 70—120 с, из которых около 3 с уходит на экспозицию, а остальное время — на зачистку поверхности, добавление или удаление замещающего состава и смену маски.

Недостатки процесса: шумность установки, ее громоздкость и вес, постоянное вмешательство человека в технологический процесс. Спецсостав для заполнения полостей не может использоваться вторично. Изделие получается монолитным и не может быть использовано в качестве формы для отливки детали с внутренними полостями.