.

Технологии быстрого прототипирования

 Разработка нового вида изделия – длительный и трудоемкий процесс, требующий нескольких этапов проектирования и оценки до того момента, как начнется массовый выпуск. Резко ускорить прохождение этих этапов помогают внедряющиеся во всем мире методы 3-х мерного компьютерного моделирования. Также современные системы компьютерного проектирования (CAD) позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку и конструирование новых изделий. Однако проблема изготовления первого физического образа и даже отдельной детали для изделия сколько-нибудь сложной формы остается наиболее узким местом, поскольку разработка технологии изготовления детали и соответствующей оснастки зачастую требуют затрат, сопоставимых со стоимостью разработки самого изделия.

В процессе работы над новым проектом, особенно на стадии комплексного проектирования, трудно выявить различные ошибки и недостатки, используя только экран дисплея. Имея реальную физическую модель будущего изделия можно выявить и устранить различные ошибки, скорректировать пути продолжения процесса проектирования. Прототип изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа конструкции; прототип позволяет конструкторам выполнить доработку и провести некоторые функциональные тесты; также он может служить мастер-моделью для изготовления инструментальной оснастки. Кроме того, прототип может использоваться в маркетинговых целях или при определении стоимости изготовления. Контрольные модели уменьшают затраты на проектирование и подготовку производства за счёт выявления возможных ошибок на ранних стадиях, и усиливают связь и взаимопонимание между проектировщиками и заказчиками, сокращая время выхода продукта на рынок.

Именно поэтому, в конце 80х начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов не путем удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путем постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии наиболее известны как технологии быстрого прототипирования (RP – Rapid Prototyping).При традиционном способе получения физических моделей будущих изделий затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку нового изделия и задержке сроков выпуска новой продукции.

Термин «быстрое прототипирование» означает класс процессов, которые автоматически создают сложные трехмерные физические объекты без инструментального их изготовления, путем преобразования данных, поступающих из CAD - системы. Появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут получать их уже через несколько дней или часов. Технология быстрого прототипирования нашла широкое применения в таких отраслях промышленности, как автомобиле- и самолетостроении, электронике, медицине, где создаются сложные машины и оборудование, изготавливается множество экспериментальных моделей и макетов деталей, требующих много времени для конструирования и изготовления.  . Как и в прежние годы, автомобильная промышленность находится на первом месте. На втором – товары широкого потребления. Категория «Другое» включает в себя, например,  фирмы, специализирующиеся на выпуске спортивных товаров. В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся на сегодня, работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем:

  • -  считывание трёхмерной геометрии из 3D CAD-систем;
  • - разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение 
  • - построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели. Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели –.модели

Первая RP-система появилась на рынке в 1987 году. Начало всему положила компания 3D Systems, которая выпустила свои стереолитографические машины. В настоящее время большое число фирм представляют на рынке свою продукцию. Наряду с 3D Systems первенство по продаже оборудования держат компании Stratasys и DTM. Другие значительные участники этой индустрии - Helisys Inc., Sanders Prototypes Inc., Cubital America Inc. и Z Corporation.

В настоящее время используется несколько технологий быстрого прототипирования. Среди них:

  • Стереолитография (SL – Stereolithography)
  • Нанесение термопластов (FDM – Fused Deposition Modeling)
  • Лазерное спекание порошковых материалов (SLS – Selective Laser Sintering)
  • Изготовление объектов с использованием  ламинирования (LOM – Lamineted Object Manufacturing).

Сейчас существуют десятки методов быстрого прототипирования. Все они отличаются друг от друга. Но мы можем произвести оценки RP-систем по следующим критериям: 

Размер детали Габариты детали, которую может построить система прототипирования, ограничена размерами "строительной камеры". В зависимости от машины, размеры моделей распределяются от 20х20х20 мм до 81х55х50 мм. Однако, большие детали могут быть изготовлены по частям и затем собраны в одну деталь. 

Производительность Скорость построения модели зависит от таких факторов, как: размер детали; геометрическая сложность; используемые материалы; программное обеспечение и др.

Материалы На рынке предлагается целый спектр материалов для прототипов, различающихся по степени прочности и качеству образуемой поверхности. В зависимости от процесса, в прототипировании используются следующие основные материалы; полистирол, термопластик, бумага, акрил, поликарбонат, нейлон, ABS, синтетические смолы и др.

Точность Точность прототипа (степень соответствия CAD-модели) определяется факторами:

  • - правильность CAD-файлов;
  • - разрешение (толщина слоёв);
  • - свойства материала.

Смолы, например, имеют свойство коробиться или усаживаться при высыхании. Другие материалы не обеспечивают достаточное качество поверхности модели для дальнейшего её использования (при изготовлении литьевых форм); или не достаточную прочность.

Стоимость Разработчики RP-систем в последнее время ориентируются на выпуск недорогих и быстродействующих машин, снижая стоимость и увеличивая объём рабочей камеры.

Таким образом, новые технологии изготовления прототипов позволяют значительно сократить сроки изготовления моделей для визуализации, подгонки, изготовления оснастки и других применений, что обеспечивает:

  • - сокращение цикла разработки;
  • - улучшение дизайна;
  • - повышение качества;
  • - уменьшение цены продукта и производства;
  • - ускорение внесения изменений в конструкцию.

            Быстрое изготовление прототипов стало важнейшей частью CAD/CAM - процесса. RP-технологии 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 RP-системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора, повышая качество проектирования и сокращая время выпуска новой продукции.