Технологии быстрого прототипирования

После разработки комплекта конструкторской документации на изделие возникает задача проверки соответствия проекта техническому заданию и возможностям производства. Для этого, как правило, необходимо изготовление прототипа, на котором оцениваются функциональные возможности конструкции, пути ее улучшения, проверяются трудноформализуемые дизайнерские проектные решения, которые трудно оценить на основании одной лишь компьютерной модели. Например, хорошо известно, при проектировании автомобиля уменьшенная модель в ряде случаев дает искаженное представление о визуальном восприятии формы кузова, поэтому изготовление прототипа в масштабе 1:1 – обязательный этап подготовки производства автомобилей.

Появившиеся в последнее время так называемые технологии быстрого прототипирования (англ. RP - rapid prototyping, Рис. 4.1) позволяют с минимальными затратами ресурсов превратить 3D модель объекта в реальную деталь из пластика, по которой можно изготовить штамп или пресс-форму.

Рис. 5.1 – Место быстрого прототипирования в подготовке производства.

Прототип – это первый опытный и почти всегда единичный (и в этом смысле уникальный) экземпляр, задача которого быстро и достоверно ответить на принципиально важные для конструктора вопросы: соответствует ли реальный дизайн детали (изделия) задуманному; верно ли определены взаимосвязи с окружающими деталями; выполняет ли деталь те функции, которые возложил на нее конструктор, и, если выполняет, то как, а если нет, то почему; соответствует ли конструкция детали технологическим возможностям серийного производства и т.д. Общеизвестно, что опытные образцы так называемых второй или третьей серий и, тем более, промышленные образцы, настолько отличаются от прототипа, что использование технологической оснастки, созданной для изготовления прототипа, практически невозможно для изготовления последующих вариантов детали. Именно поэтому стоимость прототипов оказывается весьма значительной, поскольку в ней заложена стоимость "потерянной" технологической оснастки. Кроме прямых материальных затрат на создание оснастки, существуют еще и временные затраты, трудно определяемые в денежном выражении, но зачастую превосходящие прямые затраты. Достаточно сказать, что для изготовления традиционными методами опытных образцов таких деталей как, блок цилиндров или головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания, требуется 8..10 месяцев (литье + мехобработка), а с использованием технологий быстрого прототипирования этот срок сокращается до 1..1,5 месяцев.

Все существующие системы быстрого прототипирования работают по послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем:

- считывание трехмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно это твердотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами). Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут генерировать файлы формата STL;

- разбиение трехмерной модели на поперечные сечения (слои);

- изготовление сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели (Рис. 4.2). Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Рис. 5.2 – Технология послойного синтеза:

а) 3D модель; б) образование сечений; в) одно сечение

Собственно изготовление сечений основано на:

- лазерном раскрое листовых материалов и их последующей склейке (послойный синтез);

- спекании и наплавке порошков металлов, керамики и полимеров лазерным излучением или электронным пучком;

полимеризации, инициированной лазерным излучением или излучением ртутных ламп.