Лекция №1 Тема 1.1 Общие понятие 3D печати. Прототипирование. 1. 1 Понятие прототипирование. Основные этапы создания прототипа
 Скачать 182.03 Kb.
|
|
Тема: 1.1 Понятие прототипирование. Основные этапы создания прототипа. Цель: Изучить основные понятия и этапы создания прототипов. Задачи: получить представление о технологии послойного синтеза, рассмотреть основные этапы прототипирования, изучить методы финишной доработки прототипов 3D печать (макетирование и прототипирование) является определенного рода ноу-хау и далеко не всем понятно «как это работает и зачем это нужно». Аддитивные технологии (AF – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Они позволяют на порядок ускорить научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (далее НИОКР) и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции. Трехмерное моделирование давно стало неотъемлемой частью нашей жизни, как для создания сложных архитектурных проектов, так и производство технологических объектов. После разработки 3D модели средствами систем автоматизированного проектирования (САПР), следует обязательное ее воплощение в твердой копии, что ранее требовало длительного времени и труда нескольких специалистов. На сегодняшний день появилась практическая возможность ускорить этот процесс - с помощью технологий послойного синтеза (Rapid Prototyping). Вместо более точного термина Rapid Prototyping (RP) зачастую предпочитают употреблять понятие «трехмерная печать» (3D-printing, 3DP). Что же такое 3D ПРИНТЕР. Традиционно словом "принтер" периферийное устройство, для печати различных объектов. Трехмерный или 3D принтер - это устройство вывода трехмерных данных (как правило, объемной геометрии). То есть результатом его работы является некоторый физический объект. Существует несколько технологий объемной (трехмерной, 3D) печати, но в основе любой из них лежит принцип послойного синтеза, или выращивания твердой модели. Основным преимуществом трехмерной печати перед традиционными способами создания макетов является скорость. Для сравнения: изготовление модели вручную или с применением станков может занять несколько недель или даже месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку изделия и существенному увеличению сроков выпуска новой продукции. Этих недостатков практически лишены системы быстрого прототипирования, поскольку с их помощью готовую модель можно получить за несколько дней, часов или минут - в зависимости от ее сложности. Для чего же нужна технология прототипирования и какие сферы ее применения. Первое, и самое основное, в промышленности - в основном для быстрого изготовления прототипов - чтобы посмотреть, как модель будет выглядеть в материале. Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Более того, прототипы позволяют проводить некоторые виды тестов, которые на готовой модели проводить не рекомендуется. Например, Porsche использовала прозрачную пластиковую модель трансмиссии 911 GTI для изучения тока масла в процессе ее разработки. Однако главное, такую модель можно сделать очень быстро - а в наше время высоких скоростей это очень важно. Следующая ступень прототпирования - быстрое производство. Уже сейчас некоторые технологии прототипирования позволяют изготовлять готовые предметы из различных материалов. Это идеальное решение для малосерийного производства, поскольку стандартный технический процесс дает возможность сделать что угодно (в разумных пределах, конечно) за относительно небольшое время. Так же, некоторые из технологий трехмерной печати позволяют быстро изготовлять формы для литья. Правда, цены и доступность (равно, как и выбор материалов) пока оставляют желать лучшего. После получения готовой 3D модели, изделие невозможно установить в узел соединения до тех пор, пока не будет произведена финишная доработка поверхностей. Почему? В процессе печати деталей со сложными поверхностями есть необходимость в установке дополнительной поддержи, чтобы у нависающих частей была опора, в противном случае материал будет выходить в свободное пространство, оставляя за собой нити пластика. Существует 4 основных метода постобработки прототипа. Ошкуривание Несмотря на то, что системы послойного наплавления созданы, чтобы получать высококачественные детали непосредственно из принтера, линии соединения слоев остаются видны, а конечному пользователю этого совсем не надо, особенно, если речь идет о решении, в котором эстетический вид является приоритетом. Ошкуривание позволяет устранить эти недостатки и может быть использовано для моделей, торговых образцов или концептов, полнофункциональных прототипов и узлов и механизмов конечного уровня.  Многим высококачественным объектам, изготовленным на 3D-принтере, для придания гладкости и для того, чтобы избавиться от линий в местах наложения слоев, достаточно доводки наждачной шкуркой. Процесс ошкуривания всем известен. Пластиковые детали обрабатывают руками или на шлифовальном станке, как это делается с деревянными или металлическими элементами. Ошкуривание недорого и эффективно, кроме того, это проверенный метод, с помощью которого можно достичь качественной отделки. По сути, это наиболее распространенный способ доводки распечатанных на 3D-принтере объектов. Наждачкой можно обработать все, кроме самых маленьких деталей. А большими они могут быть сколько угодно, хотя вручную добираться до мелких дефектов и неровностей бывает сложно. В типовых ситуациях процесс относительно быстр. При послойном наплавлении речь обычно идет о борьбе со ступенчатыми поверхностями. Ступеньки на детали размером где-то с пульт ДУ зачищаются примерно за 15 минут, притом что покраска такой же детали из-за дополнительных шагов, таких как подготовка и сушка, длится 2 часа. Когда деталь должна быть в первую очередь точной и долговечной, очень важно учитывать, сколько материала будет удалено при ошкуривании. Если его будет удалено много, нужно до печати внести изменения в дизайн, сделать стенки более толстыми. Требования, предъявляемые к детали, определяют также, какая именно техника ошкуривания будет применена, ручная или механическая, и какой будет задействован инструмент. Пескоструйная обработка Вторым по распространенности методом доводки является пескоструйная обработка. В этом случае оператор управляет соплом, из которого на деталь, чтобы скрыть на ней следы от слоев, под напором распыляется мелкодисперсный материал. Процесс быстрый, занимает 5-10 минут, результат выглядит цельно.  При пескоструйной обработке на деталь, помещенную в закрытую камеру, направляется поток мелких пластиковых частиц, в результате чего через 5-10 минут поверхность становится гладкой. Данная технология легко модифицируется, ее можно использовать с большинством материалов. Применяется она и в период разработки и изготовления детали, на любом этапе – от прототипирования до производства. Такого рода гибкость обусловлена тем, что обработка обычно производится мелкими частицами тонко переработанного термопластика. Именно такой «песок», абразивные характеристики которого при распылении находятся в пределах от средних до высоких. Очень хорошо работает пищевая сода, поскольку она не слишком агрессивна. С ней, однако, работать несколько сложнее, чем с пластиком. Одно из ограничений пескоструйной обработки — размер объекта. Поскольку процесс производится в закрытой камере ограниченного объема, обычно речь идет о габаритах примерно до 60 x 80 x 80 см. Пескоструйная обработка осуществляется вручную, поэтому за один раз доводится только одна деталь и ни о каком «массовом производстве» речи не идет. Обработка парами Третий по популярности метод доводки называется обработкой парами или паровая обработкой. В этом случае деталь находится в атмосфере испарений вещества, доведенного до точки кипения. Частицы испаряющегося вещества вплавляются в обрабатываемую поверхность на глубину примерно 2 микрона, делая ее гладкой и блестящей всего за несколько секунд. Те, кто предпочитают матовую поверхность, могут подвергнуть деталь пескоструйной обработке после обработки парами, когда деталь уже сглажена и механическое контактное напряжение снято.  В результате обработки ABS-пластика парами ацетона, поверхность становится гладкой и глянцевой, единственный минус такой технологии — сглаживаются углы и мелкие детали. Поскольку поверхность получается очень гладкой, обработка парами широко применяется для предметов широкого спроса, прототипов и в медицинских приложениях. Метод не сказывается существенно на точности детали. После пескоструйной обработки объект готов для нанесения пленочного, защитного или декоративного слоя. Такие покрытия обычно наносятся на более прочные материалы, к которым предъявляются высокие требования. К сожалению, как и у пескоструйки, у технологии обработки парами есть ограничения по размерам деталей. В отличие от ошкуривания и пескоструйной обработки, обработка парами имеет ограничения и по материалам. Для обработки ABS-пластика используется ацетон. При обработке PLA-пластика используется тетрагидрофуран или дихлорметан. Обработанные материалы достаточно практичны и прочны, созданные изделия сохраняют свою изначальную прочность и гибкость. Перспективы развития 3D печати. Эта технология уже позволяет экономить массу времени и сил дизайнерам и инженерам. Возможно, в скором времени прототипирование станет доступно на бытовом уровне, или в виде недорогой услуги, которой может воспользоваться каждый. Будет достаточно нарисовать модель, определить материал и отправить заказ по интернету. Это называется "дистанционное производство по требованию" (Distance Manufacturing on Demand). В перспективе такая технология станет массовой - и тогда у каждого на столе будет свой персональный механический заводик, заменяющий в мелочах обычное производство. Точно так же, как принтеры заменили типографии и машинописные бюро. Разработки в области прототипирования производятся постоянно, поэтому периодически можно ожидать чего-нибудь нового и неожиданного. К примеру, группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли разрабатывает технологию трехмерной печати, которая позволила бы одновременно создавать и форму, и содержание. Под содержанием здесь подразумевается - электронная начинка. Например, принтер печатает корпус мобильного телефона из пластика и одновременно печатает внутри всю электронику. В принципе, уже существуют способы печати пластиковых полупроводниковых устройств и соединяющих их проводов. Осталось только скомбинировать их с существующими технологиями 3D-принтеров и это будет революционным прорывом в современном производстве. Еще один пример, разработки Университета Миссури, позволяющие при помощи струйного принтера выводить на печать своеобразные заготовки биологических органов. В качестве чернил при этом используются сгустки клеток заданного типа. Вместо "бумаги" выступает специальный био-гель, 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 идет. |