Правильно «готовим» прототип. Технологии прототипирования корпуса / Хабр

Основные преимущества быстрого прототипирования в медицинской отрасли

• Предоперационное планирование;
• Индивидуальная разработка изделий хирургического назначения;
• Сокращение времени проведения операции в операционной;
• Простота в общении «врач-врач»;
• Улучшение общения «врач-пациент»;
• Подготовка врачей во время курсов с возможностью отработать реально существующие случаи.

Что такое быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) — это послойное построение физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией CAD-модели. Основное отличие этой технологии от традиционных методов изготовления моделей заключается в том, что модель создается не отделением материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части.

Модели, выполненные методом RP, могут изготавливаться из различных материалов (в зависимости от применяемой в оборудовании технологии): из пластиков, жидких смол, специальных порошков, различных листовых материалов (бумаги, алюминия и др.). Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов.

Технологии, предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу же востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями. Применение быстрого прототипирования обеспечило им значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку новых изделий к производству, позволив существенно сократить сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ, работ по изготовлению технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.

Впервые технология RP была реализована в конце 80-х годов, когда американская компания 3D Systems вывела на рынок свою первую установку SLA (Stereo Lithography Apparatus), создающую модели методом послойного отвердевания фотополимера под воздействием луча лазера.

Например, американская компания Stratasys, Inc. в 1988 году предложила технологию FDM, а 1992-м вывела на рынок оборудование, позволяющее быстро изготавливать пластмассовые прототипы. Это оборудование для изготовления прототипов характеризуется отличными техническими характеристиками: точностью изготовления моделей, производительностью, гибкостью выбора моделирующих материалов, а широкий модельный ряд позволяет применять эти устройства как на крупных предприятиях, так и на небольших фирмах.

Новейшая установка фирмы Stratasys FDM Vantage

Быстрое прототипирование в литейном производстве

Кроме применения установок FDM непосредственно для создания прототипов разрабатываемых изделий, имеется положительный опыт использования изготовленных на них моделей из ABS и в литейном производстве:

• в качестве мастер-моделей для литья в песчаные формы (стойкость моделей ABS позволяет выполнить 50-150 съемов);

• в качестве мастер-моделей для изготовления силиконовых форм, в которые затем льется восковая модельная масса;

• для замены моделей из восковой массы в литье по выплавляемым моделям небольших партий изделий.

Пример использования последней технологии1 выявил неоспоримые преимущества: модели из ABS обеспечивают повышенную точность, упрощают подготовительные и вспомогательные операции, сокращаются сроки изготовления и затраты на оснастку. Например, компания Biomet, Inc. (США), начав использовать модели ABS для производства до 50 отливок в месяц, добилась экономии 120 тыс. долл. в год.

Инструменты быстрого прототипирования

Литье в оболочковые формы по моделям из abs

Литье по выплавляемым моделям является одним из самых экономичных способов создания деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях — и единственным методом литья, например когда детали имеют поднутрения, тонкие стенки или сложную конфигурацию.

Обычно для такого метода литья используются модели из восковой модельной массы, изготовленные аналогично литью пластмасс под давлением: модельная масса льется в форму из алюминия. Этот процесс хорошо освоен и используется на практике тысячами литейных производств по всему миру.

Однако среди недостатков использования данной технологии для небольших партий изделий следует назвать длительность процесса, начиная с разработки и заканчивая изготовлением, а также высокую стоимость оснастки для производства моделей. В качестве альтернативы моделей из восковой модельной массы могут выступать модели из ABS, изготовленные на установках Stratasys, что дает значительную экономию времени и средств.

Когда изготавливается модельный блок, к ABS-прототипу отливки присоединяются стандартные стояк, прибыли, выпоры из модельной массы, а после этого полученная сборка покрывается слоями керамики — то есть все происходит так же, как при обычном производстве литья по выплавляемым моделям.

При изготовлении этой отливки крыльчатки из нержавеющей стали (справа)
в оболочковую форму
на одном из российских предприятий использовалась модель из ABS (слева), изготовленная на оборудовании FDM

Согласно проведенным лабораторным исследованиям, коэффициент теплового расширения моделей из ABS составляет в среднем 0,24%. А при использовании выплавляемых моделей из эпоксидных смол этот коэффициент теплового расширения равен 3,5%. Что касается зольности, исследования показали, что имеет место более быстрое разложение и получается меньшее количество золы при сгорании ABS в воздушной среде в присутствии кислорода, чем без воздуха в атмосфере аргона.

Методы быстрого прототипирования

Принципиальное разделение методов реализации технологии проходит по типу конечного представления макета. На сегодняшний день активно развивается реальное трехмерное создание макетов продукции с помощью 3D-принтеров. В этом направлении можно выделить такие методы, как стереолитография, спекание, распыление и т. д.

Наиболее популярные средства ниже будут рассмотрены отдельно. Также существует и широкий пласт методов визуально-компьютерного представления модели изделия. Базовая классификация инструментальных средств (ИС) быстрого прототипирования в этом направлении разделяет методы по уровню применяемого языка, механизмам вывода и отражения информации, платформе для разработки модели. Конкретные средства такого моделирования тоже стоит рассмотреть отдельно.

Назначение технологии

Применение данной системы в первую очередь решает задачи оптимизации процесса оценки и согласования будущего продукта – по крайней мере, в том виде, в котором его на конкретном этапе разработки видят исполнители заказа. Созданный макет позволяет испытать, насколько изделие соответствует поставленным требованиям в плане эргономики эксплуатации, внешнего вида, технико-физических параметров и т. д.

Особенно значима возможность практического испытания функциональности продукта. Поскольку образец максимально приближается к подлинному изделию, то его можно встроить в рабочий или производственный процесс, проверяя эффективность. Например, быстрое прототипирование в машиностроении дает возможность с помощью модели корпуса двигателя, выполненной из прозрачного материала, оценить качество циркуляции масла. В сегменте авиастроения таким же способом могут проверяться аэродинамические свойства отдельных компонентов.

Организация технологического процесса

Процесс создания макета посредством данной технологии выполняется в несколько этапов. Изначально составляется перечень характеристик продукта. К этому моменту уже должен быть подготовлен пакет с проектной документацией. Технические сведения направляются в компьютер для обработки, после чего определяются условия создания образца.

Общая модель быстрого прототипирования на каждом этапе может выполняться или в автоматизированном режиме, или с участием оператора или же исследовательской группы. Те же характеристики с требованиями к условиям создания макета может определять и сам компьютер в поточном режиме, если в него была заложена соответствующая программа.

Или, напротив, подготовку полностью выполняет специальное подразделение со специалистами разного профиля – по дизайну, архитектуре, эргономике и т. д. На финальном этапе в зависимости от технологии инструментальная платформа создает имитацию изделия на основе внесенных данных.

Правильно «готовим» прототип. технологии прототипирования корпуса

Применение в области медицины

На основании КТ-сканирования (компьютерная томография) или МРТ-сканирования (магнитно-резонансная томография), выполненных на пациенте, наше программное обеспечение обеспечивает точную 3D-реконструкцию изображений пациента.

После определения виртуальной модели, можно приступить к реализации заготовки с помощью нашего аппарата 3D Object, предназначенного для осуществления быстрого прототипирования.

Прототип, получаемый в результате 3D-печати с точностью воспроизводит анатомию пациента и позволяет врачу быстро получить четкие сведения о клиническом случае, качественно планируя операцию.

Селективное спекание

Это технология SLS, которая предполагает использование порошкообразного материала в качестве материальной основы для макетов. Обработка массива тоже производится лазерным лучом, но есть принципиальное отличие от аппарата, который задействует стереолитография.

Если в предыдущем примере луч оказывал ультрафиолетовое световое воздействие, то метод SLS использует тепловую энергию излучения. В момент направления на порошкообразную массу луч буквально запекает частицы по контурам, соответствующим целевой детали.

Что касается материала для порошка, то чаще всего применяют полистирол, полиамид и даже металлизированный песок. К достоинствам технологии можно отнести работу без задержек и возможность предохранения модели от случайного разрушения или деформирования в процессе создания.

Солвер предлагает

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР (SOLVER) является официальным представителем Stratasys, Inc. в России. Специалисты SOLVER прошли обучение и сертифицированы на фирме Stratasys в США. Компания осуществит поставку, запуск, гарантийное и послегарантийное обслуживание оборудования FDM, а также обучение специалистов предприятий.

Справка

Сегодня Stratasys, Inc. — один из лидеров в производстве оборудования быстрого прототипирования. Согласно отчету компании Wohlers Associates, в 2002 году Stratasys произвела 31% всех установок быстрого прототипирования в мире, что является самым большим показателем среди конкурентов.

Средства прототипирования в сфере программирования

Для создания образцов веб-сайтов широко используется инструмент Axure RP. С его помощью пользователь может генерировать HTML в удобную форму документации. В разработке ПО также применяется система Balsamiq Mockups. Особенностью данного инструментария является стилизация представленных продуктов под скетчи.

Комплекс CogTool позволяет создавать образцы пользовательских интерфейсов, а также оценивать их эргономику и производительность. У разработчиков будет возможность оценить, сколько времени у среднестатистического пользователя уйдет на решение той или иной задачи.

Активно развиваются интерактивные и кроссплатформенные технологии быстрого прототипирования в сфере информационных систем. К таким инструмента можно отнести Coutline и Dreamweaver, которые можно применять в комплексном программировании многоуровневых систем.

Технология fdm

Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке расплавленной до полужидкого состояния полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD.

Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Insight, которое автоматически оптимально ориентирует ее относительно рабочей зоны установки и разбивает на горизонтальные слои. Затем в Insight (тоже автоматически) определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.

Принципиальная схема установок FDM

Если для построения модели-прототипа использовалась так называемая поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне. Модель, изготовленная с применением этой технологии, называющейся WaterWorks, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей.

Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями. Кроме того, возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки (см. таблицу «Технические характеристики установок быстрого прототипирования фирмы Stratasys, Inc.»).

После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка. Это принципиально отличает FDM от RP-технологий других фирм, в соответствии с которыми процесс доводки моделей требует значительных временных затрат и наличия лабораторий, оборудованных специальными системами вытяжки и охлаждения.

Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности
в моделировании тонкостенных деталей
и деталей со сложными внутренними полостями

Оборудование FDM очень удобно в эксплуатации, недорого в обслуживании и позволяет изготавливать модели-прототипы за считанные часы (в зависимости от размера модели). Технология FDM экологически безвредна — для размещения установок Stratasys не требуется никаких специальных условий, так что их можно располагать в непосредственной близости от рабочих мест конструкторов и технологов.

Основным материалом, используемым в установках фирмы Stratasys для изготовления прототипов, является ABS (сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола). В установке FDM Vantage также применяется поликарбонат (РС), а в FDM Titan — РС и полифенилсульфон (PPSF), а детали, изготовленные из них, отличают более высокая прочность (материалы вдвое прочнее ABS-пластика) и высокая функциональность.

Прототипы, изготовленные на установках фирмы Stratasys, позволяют оценивать внешний вид и эргономику будущего изделия, анализировать собираемость и функциональность его конструкции, эффективно проводить маркетинговые исследования и рекламные кампании по продвижению продукции на рынок, использовать их в качестве мастер-моделей
для изготовления технологической оснастки

Модели из ABS, РС и PPSF сохраняют свои геометрические параметры независимо от уровня влажности, не подвержены влиянию ультрафиолетового и магнитного излучения в течение неограниченного времени. Они также устойчивы к влиянию химически агрессивных сред (в том числе кислот, бензина и масел) и нагреву:

модели из ABS сохраняют прочность при нагреве до 93 °С, из поликарбоната — до 125 °С, а из полифенилсульфона — до 189 °С. Прочность моделей из ABS сравнима с прочностью деталей, полученных традиционным литьем из пластмассы, что позволяет собирать из них конструкции для проверки функциональности.

Установки фирмы Stratasys компактны, просты и недороги в обслуживании, а их механические приводы рассчитаны на безотказную работу на протяжении длительного срока. Для сравнения приведем пример: установкам, использующим в своей работе лазер, требуются ежеквартальные дорогостоящие профилактические работы по наладке и ежегодная замена лазера (стоимостью около 10 тыс. долл.).

Все корпусные детали-прототипы комбинации приборов для автомобиля
ВАЗ-2118 производства владимирского завода «Автоприбор» изготовлены
на оборудовании фирмы Stratasys

Установки для быстрого изготовления моделей-прототипов фирмы Stratasys активно используются мировыми лидерами в автомобильной, авиационной, медицинской, радиоэлектронной промышленности, в производстве бытовой техники, помогая значительно сократить время, необходимое для обновления модельного ряда продукции и обеспечивая успех в конкурентной борьбе.

Применяют быстрое прототипирование на установках Stratasys и в России — так, все корпусные детали-прототипы комбинации приборов для автомобиля ВАЗ-2118 производства владимирского завода «Автоприбор» изготовлены на оборудовании фирмы Stratasys.

Технология fdm–моделирования

В данном случае рабочая часть представлена не лазерным аппаратом, а экструзионной головкой, которая выдавливает термопластичный материал. Макет формируется послойно в ходе наложения полимерной нити толщиной не более 2 мм. Головка укладывает материал на предварительно подготовленную чистую базу, постепенно воссоздавая форму целевой заготовки.

И уже в процессе наложения новых пластов прежние слои кристаллизуются и плотно соединяются между собой. На этой технологии в большинстве случаев и работает стандартная 3D-печать. Быстрое прототипирование, в свою очередь, требует высокой точности, поэтому не всегда использует этот метод.

Главным недостатком FDM–моделирования считается шершавая и неровная поверхность получаемого изделия. Связано это с тем, что процесс наложения горячего пластика предполагает эффект оплавления предыдущих слоев. В итоге могут иметь место и существенные погрешности в размерах.

Стереолитография

Одна из самых популярных платформ для объемного лазерного прототипирования. Система использует в качестве сырья фотополимеры, а инструментальную основу формирует оптическая начинка. Лазер при помощи ультрафиолетового излучения переносит поперечные сечения подготовленной модели на базу с материалом.

После каждого прохода лучом обработанный участок затвердевает. Таким образом последовательно наносятся новые слои, пока не будет реализован макет, соответствующий заданной модели. На сегодняшний день быстрое прототипирование посредством стереолитографии применяется в разных сферах производственной деятельности – от станкостроения до предприятий, занимающихся разработкой высокоточной медицинской техники.

В заключение

Конечно, рассмотренные технологии – не единственные средства создания концептуальных моделей на производствах. Более того, традиционные методы физического изготовления макетов имеют множество преимуществ, главным из которых является возможность максимального приближения характеристик к продукту, планируемому для выпуска.

В свою очередь, быстрое прототипирование выигрывает за счет скорости изготовления. Это значит, что технология может использоваться в сферах, в которых не принципиальным является выбор материала для макета. Например, предприятие не сможет такими средствами воссоздать полноценную металлическую деталь и проверить ее работоспособность.

С другой стороны, имитация формы и отдельных теплофизических свойств востребована многими отраслями независимо от направления деятельности. Даже крупные промышленные комплексы, выпускающие тяжелую технику, задействуют методы прототипирования в испытании отдельных деталей и расходников.

Выводы

При изготовлении небольших партий изделий применение моделей из ABS дает ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией литья по моделям из восковой массы:

• значительно сокращается время подготовки производства литья, поскольку отпадает необходимость проектирования и производства оснастки для изготовления восковых моделей;

• прочность и термостабильность ABS упрощают требования к транспортировке моделей;

• появляется возможность создания тонкостенных деталей;

• расширяется область применения конечной продукции за счет возможности изготовления более точных моделей;

• достигается большая экономичность при мелкосерийном производстве.

Образцы, выполненные из ABS, имеют ряд качественных преимуществ и по сравнению с образцами, полученными другими методам RP, — это чистое выжигание, прочность, стабильность размеров и легкость подготовки образцов.

Правда, ABS в качестве материала для построения модели все же имеет один недостаток: из-за специфики технологии построения создается несколько грубая поверхность модели. Но ведь совершенно очевидно, что какая угодно поверхность, полученная по любой технологии RP, никогда не будет иметь такое же качество, что и восковая модель из формы, — обязательно необходима доработка для получения гладкой поверхности.

Отзывы о быстром прототипировании

Инструменты прототипирования по большей части вызывают положительные впечатления у пользователей. Отмечается и сокращение временных интервалов на изготовление продукции с подготовкой к серийному выпуску, и снижение ее себестоимости. Как промежуточный этап производства, ускоренное создание макетов дает возможность заранее предусмотреть отклонения от поставленной задачи, что также относят к достоинствам технологии быстрого прототипирования.

Применение в высокотехнологичных отраслях, предусматривающих связку с компьютерной техникой, заметно расширяет возможности разработки и начального проектирования макетов. В этом контексте многие указывают и плюсы от взаимодействия с инструментами САПР.