Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования. Современные методы быстрого прототипирования

Аннотация

В контрольной работе представлены в виде реферата результаты самостоятельного исследования на тему «Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования. Современные методы быстрого прототипирования».

Для проведения исследования использованы специализированные журналы, учебники, научные публикации, ресурсы Интернет. По результатам исследования подготовлена компьютерная презентация, которая может быть использована для публичного представления результатов исследования.

Также в контрольной работе содержится раздел, описывающий построение 3D модели и чертежа детали «Вариант 2» в отечественной САПР КОМПАС 3D.

Оглавление

Введение

. Принцип работы систем быстрого прототипирования

. Существующие технологии быстрого прототипирования

.1 RP-системы

Стереолитография

Масочная стереолитография

Селективное лазерное спекание

Изготовление моделей из ламинатов

.2 Многоструйное моделирование с помощью 3D-принтеров

Моделирование диффузионным напылением

Многофазовое струйное отверждение

. Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования

. Немного о перспективах

Заключение

Введение

В начале 90-х годов прошлого века в США были разработаны первые RP-системы (RP - rapid prototyping, быстрое прототипирование). Назначение этих установок, как следует из названия - быстрое изготовление прототипов. В отличие от традиционных технологий, таких как механообработка или литьё, все RP-системы представляют собой установки для послойного синтеза моделей (выращивания). Исходным материалом для работы любой RP системы является трёхмерная твердотельная компьютерная модель изделия, созданная в любой программе 3D САПР. Она сохраняется в формате файла STL, затем в программном обеспечении RP-машины она разбивается на плоские слои с одинаковой толщиной. Работы ведутся в автоматизированном режиме без влияния человеческого фактора. Установка быстрого прототипирования строит из модельного материала эти слои последовательно, один за другим, до получения завершённой трёхмерной модели. Таким образом, время изготовления модели не зависит от сложности геометрии, а определяется только размерами прототипа. Это является одним из серьёзных преимуществ систем быстрого прототипирования по сравнению с традиционными технологиями, такими например как механообработка или литьё.

Так же необходимо отметить, что для изготовления модели средствами RP не требуется дорогостоящая оснастка, как для литья, или построение программ для станков с ЧПУ в системах CAM как происходит при механообработке. Прототипы позволяют выполнять такие тесты, которые на готовом изделии и не проведешь. Например, компания Porsche в процессе разработки трансмиссии автомобиля использовала прозрачную пластиковую модель для изучения особенностей циркуляции масла. Эти преимущества особенно важны при изготовлении прототипов, когда изготавливаются единичные изделия, а не большая серия.

Использование рассматриваемой технологии не ограничивается только этапом получением прототипа будущего изделия. Следующая стадия - это быстрое производство. Уже сегодня RP-технологии позволяют изготовлять законченные изделия из различных материалов. Такая возможность является идеальным решением для малосерийного производства, поскольку применяемый техпроцесс позволяет сделать что угодно (в разумных пределах, конечно) за относительно небольшое время. С помощью технологий быстрого прототипирования можно изготовлять формы для промышленного литья. Для обладателей форм дальнейший производственный процесс не вызывает никаких трудностей. Правда, цены и доступность (равно как и выбор материалов) такого оборудования пока оставляют желать лучшего.

Что же представляют собой системы быстрого прототипирования сегодня?

прототипирование принтер многоструйный лазерный

1. Принцип работы систем быстрого прототипирования

Rapid Prototyping - это активно развивающаяся в проектной и производственной индустрии новая технология. Она обеспечивает возможность получения физических моделей и деталей без их инструментального изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-систем в RP-систему.

Инженер, после завершения работы на CAD-станции над идеей или проектом, может дать команду «печать» и после нескольких часов или дней (в зависимости от размера объекта) получить физическую модель спроектированного в цифровом виде изделия.

В настоящее время на рынке представлен ряд RP-систем, производящих модели с помощью различных технологий и из всевозможных материалов. Все имеющиеся системы для быстрого прототипирования работают по схожему - послойному принципу построения физической модели, который заключается в реализации трех этапов:

·считывание трёхмерной геометрической информации из CAD-систем в формате STL. Все CAD-системы твёрдотельного моделирования способны транслировать файлы в формате STL;

·разбиение трёхмерной цифровой модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием;

·построение сечений детали слой за слоем снизу вверх до тех пор, пока не будет получен физический прототип цифровой модели.

Слои, располагающиеся снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Рис. 1 Процесс получения CAD-модели по имеющемуся образцу

2. Существующие технологии быстрого прототипирования

По принципу работы все системы быстрого прототипирования можно разделить на два больших класса: собственно RP-системы и 3D-принтеры.

.1 RP-системы

Стереолитография

Исторически первой появилась стереолитография (Stereo Lithography или SLA). Ее изобрел и запатентовал Чарльз Халл в далеком 1986 году. Позже он основал компанию 3D Systems по производству соответствующего оборудования. Впоследствии к ней присоединилась немецкая EOS GmbH, японские Sony-DMEC и Mitsui Engineering и другие.

Суть технологии заключается в следующем: в рабочем пространстве RP-системы находится фотополимер в жидком состоянии, который при облучении ультрафиолетом застывает в достаточно твердый пластик. Аналогичным образом «устроены» светотвердеющие зубные пломбы. Фотополимер засвечивается либо ультрафиолетовым лазером, либо обычной ультрафиолетовой лампой. Луч лазера фактически поточечно обрабатывает поверхность, формируя отдельные маленькие твердые участки, из которых образуется сечение модели. Затем рабочий стол опускается вместе с полученной частью модели и строится следующий уровень. Так, послойно, и изготавливается физическая модель. Готовый «отпечаток» с точностью до десятых долей миллиметра соответствует цифровой модели, хорошо воспроизводит мелкие детали прототипа и обеспечивает достаточно ровную поверхность изделия. Именно эта технология наиболее широко распространена в настоящее время. Однако стереолитографические установки дороги (цена измеряется в сотнях тыс. долл.), да и набор обрабатываемых материалов ограничен фотополимерами.

Масочная стереолитография

Более скоростной вариант этой технологии был разработан компанией Cubital Inc. Называется она «масочная стереолитография» (Solid Ground Curing или SGC). В качестве рабочего материала используется все тот же фотополимер, только засвечивается сразу вся его поверхность с помощью ультрафиолетовой лампы через фотошаблон. Фотошаблон для каждого слоя печатается на стекле. Для этого используется технология, напоминающая лазерную печать. Очевидно, что такой способ дает значительный прирост производительности за счет одновременного засвечивания всего слоя полимера вместо поточечного сканирования.

Селективное лазерное спекание

Альтернативным методу стереолитографии является селективное (выборочное) лазерное спекание (Selective Laser Sintering или SLS).

<#"justify">Изготовление моделей из ламинатов

Еще одна технология твердотельного конструирования с использованием лазера - ламинирование (Laminated Object Manufacturing или LOM) - разработана компанией Helysis. Сама Helysis в 2000 г. прекратила существование, но на основе ее метода сейчас разрабатывают свое оборудование несколько других производителей. Суть технологии такова: в машину по очереди заряжаются тонкие листы рабочего материала, из которого затем лазером вырезаются слои будущей модели. После резки слои склеиваются друг с другом. В качестве материала первоначально использовалась специальная бумага со слоем клеящего вещества. Однако таким образом можно нарезать тонкий пластик, керамику и даже металлическую фольгу. Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, преимуществом LOM-моделей является надежность, устойчивость к деформациям и хорошее соотношение эффективность-стоимость, не зависящее от геометрической сложности.

2.2 Многоструйное моделирование с помощью 3D-принтеров

Классические RP-системы первых поколений обладают рядом недостатков. Это прежде всего очень высокая стоимость (до миллиона долларов в зависимости от комплектации), сложность в эксплуатации, специальные требования к помещению и квалификации оператора. Если проводить аналогии с развитием компьютерных технологий в целом, то эти системы похожи на первые ЭВМ - огромные, очень сложные и дорогие, работать с которыми могли только высококвалифицированные программисты. Неудивительно, что массовое распространение технологии быстрого прототипирования получили только с появлением на рынке нового класса устройств - трёхмерных (3D) принтеров. Этот класс систем лишён многих недостатков своих предшественников - 3D принтеры рассчитаны на работу в условиях обычного офиса, просты в эксплуатации, автоматически готовят файл к построению и не требуют сложной постобработки модели после печати. Рост популярности технологий быстрого прототипирования связан именно с появлением на рынке в последние пять лет 3D принтеров. 3D-принтеры сыграли роль в распространении технологий быстрого прототипирования аналогичную роли персональных компьютеров в распространении цифровых технологий в нашей жизни. По приведённым данным можно сделать вывод, что в мировых масштабах технологии быстрого прототипирования уже получили широкое признание. Так же можно говорить о росте популярности этих технологий в России, хотя пока наша страна отстаёт от промышленно развитых стран Западной Европы, США и Японии.

Все вышеназванные системы имеют принцип работы, напоминающий лазерную трехмерную печать, однако существует еще и «струйная» трехмерная печать. Простейшая из подобных технологий - моделирование диффузионным напылением (Fused Deposition Modeling или FDM).

Моделирование диффузионным напылением

Основы этой технологии были разработаны еще в 1988 г. Скоттом Крампом, а производителем оборудования для FDM стала компания Stratasys.

Основным достоинством таких систем является управляемая двухкоординатная нагревательная головка. Идея очень проста - жидкий термопластичный материал выдавливался из головки принтера, а затем укладывался тонким слоем. Материал подается с катушки в виде проволоки диаметром 1,25 мм. В головке проволока нагревается и плавится при температуре, превышающей точку отверждения на 10С. Жидкая субстанция отвердевает очень быстро. Благодаря двухкоординатному движению головки вещество укладывается тонким равномерным слоем. Ширина диффузионного слоя колеблется от 0,22 до 2,5 мм в зависимости от скорости нанесения материала, размеров сопла и точности позиционирования головки. После нанесения одного слоя платформа опускается на величину от 0,03 до 0,7 мм. При этом важно контролировать процесс с помощью компьютера, как это происходит при фрезеровании. Технология FDM позволяет с достаточно высокой точностью (минимальная толщина слоя - 0,12 мм) производить полностью готовые к использованию детали довольно большого размера (до 600x600x500 мм).

Многофазовое струйное отверждение

Обычно 3D-принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких моделей достаточно для визуализации разрабатываемого изделия.

Штутгартский и Бременский институты разработали технологию многофазового струйного отверждения. В данной технологии смесь порошка и волокна осаждается на поверхность с помощью управляемого сопла. Смесь подогревается в отсеке принтера до температуры 70-100оС в зависимости от свойств рабочего материала. В качестве материала применяются порошки, используемые для литья под давлением. При указанной температуре смесь становится однородной по густоте и способна проходить через сопло. Очень важно обеспечить низкое поверхностное натяжение материала для формообразования без усадки. Впоследствии прототипы дорабатываются с помощью технологии, напоминающей металлическое литье под давлением. Происходит спекание вещества и получение новой молекулярной сетки повышенной прочности.

В настоящее время эта технология используется в 3D-принтере Actua 2100 компании 3D Systems. Материал полученного прототипа похож на твёрдый воск. Толщина накладываемых слоев составляет 0,0015 дюйма (0,04 мм) с разрешением 300 точек на дюйм. Стоимость установки около 65 тыс. долл.

Существует еще одна технология «струйной печати», уже с использованием порошковых материалов. Разработана она была в Массачусетском технологическом институте, а первым и основным производителем оборудования стала компания Z Corporation. Ее 3D-принтеры относительно недороги и работают существенно быстрее вышеописанных устройств. Технологический процесс заключается в следующем: специальная струйная головка набрызгивает на порошковый материал клеящее вещество. В качестве порошка используется обычный гипс или крахмал. В «забрызганных» местах порошок склеивается и формирует модель. Печать, как и в предыдущих случаях, идет послойно, а лишний порошок в конце стряхивается. Однако есть и существенная разница - этот принтер может использовать клеящую жидкость с добавлением пигментных красителей и печатать цветные модели. В цветном принтере от Z Corporation установлены 4 струйные головки с чернилами-клеем основных цветов, так что полученная модель может воспроизводить не только форму, но и окраску (то есть текстуру) своего виртуального прототипа. Правда, гипсовые модели получаются не очень-то прочными, но зато их сразу можно использовать в качестве форм для литья. Детализация полученного объекта - очень высокая.

3. Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования

В настоящее время существует различные направления и подходы к реализации технологий быстрого прототипирования. По используемым материалам их можно разделить на методы, применяющие жидкости (фотополимеры, электролиты, вода), порошки (спекание однородных или двухкомпонентных составов), твердые материалы (пластики, воски, металлы), листовой материал (ламинированная бумага, пластик), газы. Часть методов находится в стадии исследовательских разработок, часть имеет коммерческое применение.

Быстрое прототипирование имеет весьма широкий диапазон областей применения, однако, к основным из них следует отнести:

·визуализацию;

·проверку собираемости узлов и механизмов;

·изготовление малых партий изделий методами быстрой подготовки технологической оснастки.

Визуализация. Технология Rapid Prototyping предоставляет инженерам и дизайнерам свободу творчества при создании дешевых трехмерных моделей. Можно провести чистовую обработку поверхности прототипа, чтобы заказчики и персонал имели возможность оценить эстетические свойства будущего продукта.

Визуализация по-прежнему стоит на одном из первых мест в ряду областей использования прототипов вследствие наглядности представления модели изделия, с одной стороны, и отсутствием необходимости использования аппаратных средств - с другой.

Нередко возникает необходимость проведения маркетингового исследования и демонстрации изделия заказчику или на выставке до начала его серийного выпуска, с тем, чтобы оценить потенциальный покупательский спрос и принять решение о целесообразности продвижения данного товара на рынок.

При необходимости внесения изменений в конструкцию изделия материальные и временные затраты минимальны по сравнению с необходимостью переделки технологической оснастки, изготовление которой занимает, как правило, не один месяц.

Другим очень важным фактором является возможность проверки качества сборки узлов и механизмов, оценка удобства и надежности крепления деталей (рис. 3). Трехмерная модель, созданная в CAD-системе, не дает полного представления о том, насколько жестко происходит фиксация деталей в сборочной единице. Прототипы же, являясь аналогом окончательно изготовленных изделий, позволяют проанализировать особенности их конструкции и своевременно выявить возможные недостатки.

Рис. 3 Проверка качества сборки изделия

Моделирование работы механизмов, оценка их функциональных качеств - еще одна область применения быстрого прототипирования. Это относится как к новым изделиям, так и к модернизированным с изменением одной или нескольких деталей сборки.

Наметившиеся в последнее время тенденции к уменьшению партий изготавливаемых изделий, увеличению их конструктивной сложности и сокращению сроков поставки обуславливают распространение технологий быстрой подготовки оснастки (Rapid Tooling), к которым относятся вакуумное литье в силиконовые формы; литье в металлополимерные формы; литье металлов по выплавляемым восковым моделям, получаемым на основе технологии литья в силиконовые формы, и другие методы. Данные технологии неразрывно связаны с технологиями быстрого прототипирования и являются их логическим продолжением в цепочке дизайн - конструкция - прототип - оснастка - готовое изделие.

Быстрое прототипирование получает все большее распространение и становится неотъемлемой частью процесса подготовки производства новой продукции. В промышленно развитых странах в ряде фирм данный этап является обязательным и переход от конструкции изделия к разработке технологии невозможен без получения прототипа.

4. Немного о перспективах

Исследования в области быстрого прототипирования идут полным ходом. Например, группа ученых из Калифорнийского университета разрабатывает технологию трехмерной печати, которая позволила бы одновременно создавать и форму, и содержание объекта. Под содержанием здесь подразумевается электронная начинка, т. е. принтер печатает корпус мобильного телефона из пластика и одновременно печатает внутри корпуса всю электронику. Уже сегодня существуют способы печати пластиковых полупроводниковых устройств и соединяющих их проводов. Осталось только объединить эти способы с технологией 3D-принтеров, и готов революционный прорыв в современном производстве.

Другой пример - разработки Университета Миссури, позволяющие при помощи струйника выводить на печать своеобразные заготовки биологических органов. В качестве чернил при этом используются сгустки клеток заданного типа. Вместо бумаги выступает специальный биогель, который фиксирует положение клеточных сгустков в пространстве. Печать производится в несколько слоев. В результате получается объемная конструкция из клеток, которая, в принципе, может имитировать любой орган (после вырастания клеток гель растворяется, так что возможно получение полых структур). Конечно, печать полноценного органа для пересадки пока представляется слишком сложной задачей, но работа в этом направлении ведется.

Заключение

Быстрое прототипирование играет важную роль в технической подготовке новой станочной продукции. Использование макетов станков или их отдельных узлов в процессе конструкторского проектирования и обсуждения на технических совещаниях становится нормой. При этом оцениваются дизайнерские и компоновочные решения, имитируется перемещение отдельных узлов и т. д.

По принципу работы все системы быстрого прототипирования можно разделить на два больших класса: собственно RP-системы и 3D-принтеры.

В настоящее время на рынке в целом, в том числе и на российском рынке представлено большинство ведущих фирм-разработчиков как классических больших RP-систем, так и 3D-принтеров. Несмотря на общий принцип работы - построения трёхмерной модели из плоских двумерных слоёв различные системы заметно отличаются друг от друга технологиями построения каждого слоя. И это определяет область применения оборудования. На мой взгляд, с практической точки зрения есть два главных параметра, характеризующих любую систему для быстрого прототипирования - это толщина слоя построения и материалы, с которыми работает машина. Именно толщина слоя построения определяет качество конечной модели, а свойства модельного материала определяют применимость прототипа.

Больше работ по теме: