Основы САПР (CAD/CAM/CAE)

К. Ли

Глава 12
Быстрое прототипирование и изготовление

В главе 11 вы познакомились с обработкой на станке с ЧПУ и узнали, как используются геометрические данные из базы данных CAD при обработке детали. Хотя геометрическая модель использовалась как источник общих данных, процессы проектирования и производства не были непосредственно интегрированы в процедуру обработки. Иными словами, чтобы станок с ЧПУ мог выполнить обработку по данным геометрической модели, требовался ряд промежуточных шагов: планирование процессов, рассмотрение конструкций зажимов и креплений, выбор оборудования.
Еще один способ использования геометрической модели в производстве - это быстрое прототипирование. Существуют разные процессы быстрого прототипирования, но все их объединяет то, что прототип изготавливается путем послойного наложения композитного материала. Основное преимущество быстрого прототипирования состоит в том, что прототип создается за один прием, а исходными данными для него служит непосредственно геометрическая модель детали. Таким образом, отпадает необходимость в планировании последовательности технологических процессов, специальном оборудовании для обработки материалов, транспортировке от станка к станку и т. д. Однако по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ этот процесс имеет существенный недостаток - ограниченность выбора материалов. Поскольку станки с ЧПУ способны обрабатывать большую часть доступных промышленных материалов, включая металлы, то физические объекты, изготовленные методом быстрого прототипирования, используются главным образом в качестве прототипов или шаблонов для других производственных процессов.

12.1. Обзор

После появления систем твердотельного моделирования в начале 70-х гг. XX в. делались попытки генерировать физические объекты непосредственно из геометрических данных, не прибегая к использованию традиционных инструментов. Новая технология получила название быстрое прототипирование (rapid prototyping), а также послойное изготовление (layered manufacturing), трехмерная печать (3D printing), настольное изготовление (desktop manufacturing) и изготовление объемных деталей произвольной формы (solid freeform manufacturing) [88]. С того времени эта технология шагнула далеко вперед, найдя множество применений на производстве помимо изготовления прототипов. Исходя из этого, более удачным обозначением для нее в настоящий момент представляется термин быстрое прототипирование и изготовление (rapid prototyping and manufacturing), или БПИ, который мы и будем использовать в этой главе.
В основе своей процессы быстрого прототипирования и изготовления состоят из трех шагов: формирование поперечных сечений изготавливаемого объекта, послойное наложение этих сечений и комбинирование слоев. Таким образом, чтобы создать физический объект, этим процессам требуются данные лишь о поперечных сечениях; кроме того, исчезают следующие проблемы, часто возникающие в связи с другими производственными процессами.

  • Отпадает необходимость в топологическом проектировании и распознавании по элементам, поскольку планирование процессов, в ходе которого используется эта информация, не требуется. Аналогичным образом, не нужно преобразовывать элементы конструкции в элементы изготовления. Достаточно иметь трехмерную поверхностную или твердотельную модель детали, на основе которой будут сгенерированы данные поперечных сечений.
  • Не требуется определять геометрию пустого пространства, поскольку в ходе процессов БПИ материал добавляется, а не снимается.
  • Не нужно определять несколько наборов оборудования или сложные последовательности обработки материала, поскольку деталь изготавливается за один прием.
  • Нет необходимости рассматривать конструкции зажимов и креплений. (Некоторые процессы могут требовать создания вместе с деталью поддерживающих структур. О поддерживающих структурах речь пойдет позже.)
  • Не нужно проектировать и изготавливать формы и штампы, так как процессы БПИ являются безынструментальными.

Таким образом, поскольку процессы БПИ позволяют создать физический объект без использования инструментов, они хорошо подходят для интеграции проектирования и изготовления без планирования процессов.
Слои поперечных сечений могут создаваться и комбинироваться одним из следующих методов:

  • полимеризация смол лазером, другими источниками света или лампами;
  • избирательное спекание твердых частиц или порошка лучом лазера;
  • связывание жидких или твердых частиц путем склеивания или сварки;
  • резка и ламинирование листового материала;
  • плавление и отверждение.

Типичные процессы быстрого прототипирования и изготовления, основанные на этих методах, описаны в следующем разделе.

12.2. Процессы быстрого прототипирования и изготовления

Характеристики некоторых серийно выпускаемых машин для быстрого прототипирования и изготовления, использующих различные типы процессов, сведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Характеристики машин для БПИ

Тип
процесса
Стереолитография  
Машина SmartStart (SLA-250/ 30A) SLA-250/ 40,50 SLA-3500 SLA-5000 LMS JSC-1000

JSC-2000

JSC-3000
SOUP-400,
-530, -600,
-850
COLAMN-300 Aaroflex Solid Imager
Компания 3D Systems (США) Fockele & Schwarze (Германия) SONY/
DMEC Ltd. (Япония)
CMET, inc. (Япония) Mitsui Zosen (Япония) Aaroflex, 
Inc. (США)
Рабочее пространство 250 x
250 x
250 мм
250 x
250 x
250 мм
350 x
350 x
400 мм
508 x
508 x
584 мм
400 x
400 x
350 мм
1000 x
800 x
500 мм
400 x 400 x 400,
530 x 355 x 355,

600 x 400 x 400,

860 x 600 x 500 мм
  560 x
560 x
560 мм
Толщина слоя 0,15 мм 0,1 мм 0,1 мм 0,1–0,3 мм     0,05 мм
Точность 0,1 мм 0,01 мм 0,1–0,2 мм 0,05 мм   0,06 мм
Материал Любая фотополимерная смола  
Тип
процесса
Ламинирование Моделирование методом наплавления Спекание порошка Отверждение на твердом основании  
Машина LOM-1015

LOM-2030H
Kira Solid Center Hot Plot FDM 1650, FDM 2000, FDM 8000 Sinterstation 2000,

Sinterstation 2500
EOSINT P350

EOSINT M250

EOSINT S700
Solider 4600

Solider 5600
LSI-0609MA, LSI-1115MA, LSI-2224MA SOMOS  
Компания Helisys, Inc. (США) Kira (Япония) Sparx AB (Швеция) Stratasys (США) DTM (США) EOS (Германия) Cubital (Израиль) Light Sculpting, Inc. (США) Teijin Seiki (Япония)  
Рабочее пространство 381 x 254 x
356,

813 x 559 x
508 мм
400 x 280 x 300 мм   254 x 254 x 254,

254 x 254 x 254,

457 x 457 x
609 мм
Высота 304,8 мм,

глубина 381 мм
340 x 340 x 590,

250 x 250 x 150,

720 x 380 x
380 мм
350 x 350 x 350,

500 x 350 x
500 мм
150 x 150 x
230,

280 x 280 x
380,

560 x 560 x
600 мм

300 x 300 x
300 мм
 
Толщина слоя 0,1 мм 0,1 мм 1,0 мм 0,05 мм 0,08 мм 0,1–0,2 мм 0,1–0,15 мм 0,01 мм 0,1–0,5 мм  
Точность 0,1 мм 0,2 мм   0,127 мм, 0,127 мм, 0,127–0,254 мм 0,38 мм 0,03 мм 0,5 мм 0,03 мм 0,05 мм
(x, y)

0,15 мм (z)
 
Материал Бумага с покрытием Обычная копировальная бумага Лист с покрытием (полиэтилен) ABS, воск, полиамидный пластик ABS, пластик, ПВХ, воск для литья по выплавляемым моделям, металлокерамика с поликарбонатным порошком, песок Полиамид, поликарбонат, полистирен, металлический сплав Фотополимер + растворимый в воде воск  

12.2.1. Стереолитография

В конце 70-х - начале 80-х гг. XX в. А. Герберт из корпорации 3M в Миннеаполисе, Х. Кодама из Исследовательского института префектуры Нагоя в Японии и К. Халл из корпорации Ultra Violet Products (UVP) в Калифорнии независимо друг от друга работали над идеями быстрого прототипирования, основанными на избирательном отверждении поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно наложенных слоев. Герберт и Кодама прекратили работу из-за недостатка финансирования, так и не сумев разработать коммерческий продукт. Халл благодаря стабильной поддержке от UVP разработал систему, способную автоматически изготавливать детали сложной формы. Халл ввел в обращение термин стереолитография (stereolithography) и в 1986 г. основал корпорацию 3D Systems, которая начала производить стереолитографические аппараты (stereo lithography apparatus - SLA).
Процесс изготовления детали изображен на рис. 12.1, а и протекает следующим образом.

  1. Фоточувствительный полимер, затвердевающий на свету, поддерживается в жидком состоянии.
  2. На толщину одного слоя ниже поверхности жидкого полимера располагается платформа, способная двигаться в вертикальном направлении.
  3. Ультрафиолетовый лазер сканирует слой полимера над платформой, отверждая полимер по форме соответствующего поперечного сечения. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.


Рис. 12.1. Стереолитография: а - процесс; б - аппарат SLA-3500 от 3D Systems (с разрешения 3D Systems, Inc.)

  1. Платформа опускается в ванну с полимером на толщину одного слоя, давая полимеру растечься по поверхности детали для начала нового слоя.
  2. Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет наращен верхний слой детали.
  3. Для полного затвердевания детали выполняется окончательное отверждение. Этот шаг необходим, поскольку в каждом слое могут еще оставаться жидкие участки. Так как лазерный луч имеет конечные размеры, сканирование каждого слоя аналогично закрашиванию некоторой фигуры тонкой цветной ручкой.

Реальный аппарат для стереолитографии показан на рис. 12.1, б.
Стереолитография наиболее популярна среди процессов быстрого прототипирования и изготовления, и ее интерфейс с твердотельной моделью стал стандартом для других процессов. Однако она требует создания поддерживающих структур, если деталь имеет вырезы внизу, то есть верхнее поперечное сечение детали имеет большую площадь, чем нижнее (рис. 12.2). Изготовленная методом стереолитографии крыльчатка изображена на рис. 12.3. Более подробно процесс стереолитографии будет описан далее.

Рис. 12.2. Поддерживающие структуры в стереолитографии

Рис. 12.3. Крыльчатка, изготовленная методом стереолитографии

12.2.2. Отверждение на твердом основании

В процессе отверждения на твердом основании (solid ground curing, SGC) каждый слой отверждается путем экспонирования ультрафиолетовой лампой, а не сканирования лазерным лучом. Таким образом, все точки слоя затвердевают одновременно и окончательное отверждение не требуется. Типичный процесс отверждения на твердом основании имеет место в системе Solider от Cubital Israel, работа которой происходит так.

  1. По данным геометрической модели детали и желаемой толщине слоя рассчитывается поперечное сечение каждого слоя.
  2. Для каждого слоя изготавливается оптическая маска по форме соответствующего поперечного сечения.
  3. После выравнивания (рис. 12.4, а), платформа покрывается тонким слоем жидкого фотополимера (рис. 12.4, б).


Рис. 12.4. Система Solider

  1. Над поверхностью жидкой пластмассы помещается маска, соответствующая текущему слою, и пластмасса экспонируется светом мощной ультрафиолетовой лампы (рис. 12.4, в). Обратите внимание, что процесс начинается с маски, соответствующей нижнему слою.
  2. Оставшаяся жидкость удаляется с изделия аэродинамическим wiper (рис. 12.4, г).
  3. Изделие покрывается слоем жидкого воска, который заполняет пустоты (рис. 12.4, д). Затем к воску прикладывается холодная пластина, и он затвердевает.
  4. Слой стачивается до желаемой толщины с помощью шлифовального диска (рис. 12.4, е).
  5. Готовая часть изделия покрывается тонким слоем жидкого полимера, и шаги 4-7 повторяются для каждого последующего слоя, пока не будет обработан самый верхний слой.
  6. Воск расплавляется и удаляется из готовой детали.

Главным преимуществом отверждения на твердом основании по сравнению со стереолитографией является отсутствие необходимости в поддерживающих структурах. Это обусловлено тем, что пустоты заполняются воском. Кроме того, благодаря использованию света лампы вместо лазерного луча исключается операция окончательного отверждения. Хотя отверждение на твердом основании позволяет изготавливать детали с большей точностью, чем стереолитография, процесс этот весьма сложен.

12.2.3. Избирательное лазерное спекание

Процесс изготовления детали путем избирательного лазерного спекания, разработанный фирмой DTM (США), протекает следующим образом.

  1. Цилиндрическая заготовка помещается на высоте, необходимой для того, чтобы на нее можно было осадить слой порошкового материала желаемой толщины. Порошковый материал, используемый для изготовления прототипа, поступает из подающего цилиндра и наносится выравнивающим валиком (рис. 12.5).


Рис. 12.5. Избирательное лазерное спекание (с разрешения DTM Corporation)

  1. Слой порошка избирательно сканируется и нагревается лучом лазера, вследствие чего частицы слипаются между собой. Просканированные частицы порошка образуют требуемое поперечное сечение. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.
  2. Цилиндрическая заготовка опускается на толщину одного слоя для нанесения нового слоя порошка.
  3. Луч лазера сканирует новый слой порошка, склеивая его с предыдущим и формируя следующее поперечное сечение.
  4. Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан самый верхний слой детали.
  5. Для некоторых материалов может понадобиться окончательное отверждение.

Поддерживающая структура не требуется, потому что пустоты каждого слоя заполняются необработанным порошком. Более того, в качестве материала для процесса избирательного спекания потенциально может использоваться любой плавкий порошок, даже металлический, если лазер обладает достаточной мощностью. На практике для металлических порошков, частицы которых покрыты термопластическим связующим материалом, используется косвенное спекание. Под лучом лазера связующий материал расправляется и свободно связывает частицы металлического порошка, образуя желаемую форму, которая называется "зеленой деталью" (green part). В этом случае достаточно, чтобы мощности лазера хватало для расплавления связующего материала. Затем зеленая часть подвергается обработке в печи, в ходе которой связующий материал выжигается, а частицы металлического порошка связываются за счет обычных механизмов спекания. Получившаяся деталь носит название "коричневой детали" (brown part). Без дальнейшей обработки деталь будет довольно пористой из-за наличия пустот, которые ранее занимали частицы связующего материала. Чтобы снизить пористость, в печь помещается еще один материал - инфильтрант. Этот металл расправляется при рабочей температуре печи и проникает в поры детали за счет капиллярного эффекта. Данный метод используется для изготовления форм для литья непосредственно по их геометрическим моделям. Ресурса таких форм достаточно для изготовления от 2500 до 10 000 деталей-прототипов.

12.2.4. Трехмерная печать

Разработанный в Массачусетском Технологическом институте процесс трехмерной печати был назван так из-за своей схожести с печатью на струйном принтере. В трехмерной печати вместо чернил используется жидкое связующее вещество. Процесс трехмерной печати происходит следующим образом (рис. 12.6).

  1. Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой керамического порошка надлежащей толщины.
  2. Нанесенный слой керамического порошка избирательно сканируется печатающей головкой, из которой поступает жидкое связующее вещество, вызывающее прилипание частиц друг к другу. Отсканированные печатающей головкой частицы образуют требуемую форму поперечного сечения. Обратите внимание, что этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения.
  3. Платформа опускается на одну толщину слоя, позволяя нанести следующий слой порошка.
  4. Новый слой сканируется, образуя следующее поперечное сечение и склеиваясь с предыдущим слоем.
  5. Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан верхний слой детали.
  6. Для отверждения детали проводится последующая тепловая обработка.


Рис. 12.6. Трехмерная печать (с разрешения проф. Сакса, MIT)

С помощью трехмерной печати было бы удобно изготавливать формы для литья, поскольку форма изготавливается как цельная деталь, состоящая из оболочки и полостей, и положение полостей относительно оболочки можно было бы задавать точно. Однако формы для литья, изготовленные путем современной трехмерной печати, имеют невысокое качество поверхности.

12.2.5. Ламинирование

В процессе ламинирования (laminated object manufacturing - LOM), коммерциализированном фирмой Helisys, деталь изготавливается путем ламинирования и лазерной резки материалов, поступающих в листовом виде. Слипание листов происходит за счет наличия термоадгезивного покрытия. Процесс протекает следующим образом.

  1. Каждый лист приклеивается к заготовке с помощью нагрева и давления, образуя очередной слой. Листовой материал подается в виде непрерывного рулона с одной стороны машины и принимается с противоположной стороны (рис. 12.7). Температуру и давление, необходимые для ламинирования, обеспечивает нагретый валик. Обратите внимание, что когда к стопке приклеивается следующий лист, платформа опускается на толщину одного листа.
  2. После того как слой (лист) приклеен, он сканируется лазером вдоль контуров текущего поперечного сечения. Обычно для этой цели используется лазер на углекислом газе мощностью 25 или 50 Вт. Как и в других процессах, этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения. Обратите внимание, что здесь сканирование производится только по контурам. Это делает данный процесс более эффективным, чем процессы, требующие растрового сканирования.
  3. Области слоя, выходящие за пределы контуров, штрихуются лазером (то есть рассекаются на маленькие кусочки, называемые черепичками (tiles), для последующего удаления, когда деталь будет закончена).


Рис. 12.7. Ламинирование (с разрешения Helisys, Inc.)

  1. Шаги 1-3 повторяются до тех пор, пока не будет наклеен и вырезан верхний слой детали.
  2. После того как все слои будут готовы, результатом будет деталь, находящаяся внутри блока поддерживающего материала. Этот материал затем разламывается на кусочки вдоль линий лазерной штриховки.
  3. Готовую деталь можно покрыть герметиком, чтобы предохранить ее от влажности.

Наличие поддерживающего материала вокруг детали имеет свои преимущества и недостатки. Прежде всего оно исключает необходимость во внешних поддерживающих структурах. При изготовлении детали внутри блока поддерживающего материала, имеющего определенную форму, геометрия всей структуры стабилизирована в процессе изготовления и, соответственно, ей не грозит перекос под собственным весом. Более того, нам не приходится беспокоиться об изолированных "островках", которые часто образуются, когда твердое тело, спроектированное в CAD-системе, рассекается на слои. Иными словами, ламинирование позволяет избежать создания специальных подпорок, которые точно фиксировали бы эти "островки" в пространстве, пока в процессе изготовления не будут созданы "мосты" к оставшимся частям детали. Однако удаление лишнего материала по окончании изготовления детали является непростой задачей (рис. 12.8).
Чтобы гарантировать, что удалены будут только излишки, а хрупкие части детали не будут при этом сломаны, необходима бережная очистка, выполняемая вручную. Кроме того, полую структуру с замкнутыми поверхностями невозможно изготовить в виде единой части, поскольку в этом случае излишки материала невозможно будет извлечь изнутри. Сложность удаления ненужного материала характеризует любую часть с узкими перемычками, внутренними полостями с ограниченным доступом, слепыми отверстиями и т. п. Далее, большая часть материала, расходуемая при ламинировании, идет не на саму деталь, а остается неиспользованной в рулоне или образует поддерживающие структуры, которые будут удалены после изготовления. Это может быть весьма расточительно, если применяются более дорогостоящие материалы, чем бумага.


Рис. 12.8. Процесс удаления черепичек (с разрешения Helisys, Inc.)

Помимо преимуществ и недостатков процесс ламинирования имеет следующие характеристики.

  • Это субтрактивный, а не аддитивный процесс (то есть для создания слоя с требуемым поперечным сечением материал удаляется, а не добавляется). Во всех прочих процессах БПИ слои образуются путем добавления материала. Таким образом, потенциально ламинирование является самой быстрой технологией изготовления деталей с большим отношением объема к площади поверхности.
  • Детали образуются перемежающимися слоями материала и клейкого вещества. Соответственно, многие из их физических свойств являются неоднородными и анизотропными.
  • Потенциальная точность процесса изготовления ламинированных объектов высока. В нем может использоваться сколь угодно тонкий листовой материал, что позволяет достичь хорошей разрешающей способности в направлении наращивания детали. В действительности изготовить тонкий однородный листовой материал несложно, и усадка при ламинировании не представ-ляет проблемы, поскольку контуры вырезаются после того, как происходит усадка.
  • Хотя процесс потенциально применим ко многим материалам, включая пластики, композиты и металлы, наиболее популярным на сегодняшний день является бумажное ламинирование.

12.2.6. Моделирование методом наплавления

В процессе наплавления (fused-deposition modeling - FDM), коммерциализированном фирмой Stratasys, каждый слой формируется путем выдавливания термопластичного материала, находящегося в жидком состоянии (рис. 12.9). Температура выдавливаемого материала незначительно превышает его температуру затвердевания: это аналогично созданию надписей на торте шоколадным кремом. Деталь изготавливается путем последовательного наплавления слоев. Этот процесс относительно прост, но его применение ограничено термопластичными материалами.


Рис. 12.9. Моделирование методом наплавления (с разрешения Stratasys, Inc.)

12.2.7. Недорогие станки для быстрого прототипирования и изготовления

Как было сказано выше, быстрое прототипирование и изготовление позволяет сократить время и расходы, требуемые на доведение нового продукта от первоначальной идеи до производства. Использование быстрого прототипирования и изготовления на ранней стадии процесса проектирования позволит выявить фундаментальные ошибки, исправление которых может обойтись дорого, если они обнаруживаются в тот момент, когда деталь уже готова к производству. Однако детали, изготовленные этим способом, недешевы, и порой сложно определить, сколько деталей следует изготовить, чтобы получить от них максимальную отдачу. Кроме того, поскольку быстро изготовленные прототипы по-разному используются на различных стадиях процесса проектирования, физические требования к ним также будут варьировать в зависимости от способа использования. И именно здесь может сыграть свою роль новый класс приборов - офисные, или настольные станки для моделирования. С помощью таких приборов, как Actua 2100 от 3D Systems, Genisys от Stratasys, Model Maker II от Sanders Prototype, Z402 от Z Corporation и JP System 5 от Schroff Development, имеющих более низкую цену и меньшие эксплуатационные расходы, удобно изготавливать относительно грубые (за исключением Model Maker II), но недорогие прототипы для проверки реализуемости идеи и оценки проекта. Недорогие станки для быстрого прототипирования и изготовления от различных производителей сравниваются в табл. 12.2, а на рис. 12.10 иллюстрируется технология под названием многоструйное моделирование (multijet modeling - MJM), применяемая в приборе Actua 2100 от 3D Systems. В методе многоструйного моделирования используется печатающая головка с линейкой из 96 сопел.

Таблица 12.2.
Характеристики недорогих (настольных) станков для быстрого прототипирования

Модель Actua 2100 Genisys Model Maker II JP System 5
Компания 3D Systems Stratasys, Inc. Sanders Prototype, Inc Schroff Development Co.
Размеры рабочего пространства 250 x 200 x 200 мм 203 x 203 x 203 мм 152 x 304 x 228 мм Стандартная версия: резец шириной 305 мм

Расширенная версия: резец шириной 610 мм
Технология Печатающая головка с 96 соплами слой за слоем наносит термополимерный материал Устройство трехмерной печати с подачей материала через экструзионную головку Жидкостно-твердый струйный плоттер наносит два материала слой за слоем Нарезка слоев резцом плоттера с ручным их наложением
Программный интерфейс Программа Allegro и сокет TCP/IP Программа AutoGen и сокет TCP/IP ModelWorks (работает с файлами SLC, STL, AutoCad DXF, HPGL и OBJ) Импортирует STL
Толщина слоя 0,013–0,13 мм 0,1–0,3 мм
Точность –/300 DPI 0,356 мм/0,33 мм 0,025 мм (x, y)

0,013 мм (z)
Не гарантируется какой-либо определенный уровень точности
Подача материала Картридж с термополимерным материалом (хрупкий пластиковый полимер) Кассеты с листами пластикового полимера (прочный пластиковый полимер) Шарики термопластика и воска отдельно засыпаются в резервуар и расплавляются Бумага
Размеры 1370 x 760 x 1120 мм 914 x 737 x 813 мм 685 x 381 x 685 мм Площадь около 610 x 1220 мм
Вес 415 кг 84 кг 40,8 кг  


Рис. 12.10. Схема многоструйного моделирования в аппарате Actua 2100 от 3D: а - механизм; б - изготовление детали (с разрешения 3D Systems, Inc.)

12.3. Применение быстрого прототипирования и изготовления

Область применения быстрого прототипирования и изготовления определяется достижимой точностью изготовления детали и механическими свойствами используемого материала - растяжимостью, твердостью и прочностью на разрыв. Варианты применения можно разбить на три основные группы:

  • прототипы для оценки проекта;
  • прототипы для функциональной оценки;
  • модели для дальнейшего производственного процесса.

Первое время после своего появления процессы БПИ использовались в основном для придания спроектированному объекту зримой формы и заполнения коммуникационного пробела, позволяя создавать полноразмерные физические модели, которые можно потрогать и подержать. Это произвело революцию в совещаниях по оценке проектов: конструктивный диалог, который ведут члены конструкторской группы, передавая друг другу модель, дал им возможность формулировать свои критические замечания и предложения на общем уровне зрительного взаимопонимания. В некоторых случаях поддержка конструкторов сама по себе служила главным обоснованием вложения средств в станки для быстрого прототипирования и изготовления. Теперь широкое распространение процессов БПИ в сфере производства стало движущей силой их дальнейшего развития.

12.3.1. Прототипы для оценки проекта

Современные системы твердотельного моделирования упрощают оценку проекта благодаря наличию таких функций, как просмотр, затенение, вращение и увеличение. Однако не подлежит сомнению, что оценка проекта производится более адекватно, когда конструктор может потрогать и подержать в руках физический прототип конструкции. Даже несмотря на огромный опыт в чтении чертежей или CAD-изображений сложных объектов отчетливо представить себе, как будет выглядеть реальная деталь, - это до сих пор очень сложная задача. Такие особенности, как слепые отверстия, сложные внутренние каналы и поверхности сложной кривизны, зачастую приводят к трудностям в интерпретации. Сокращение количества ошибок за счет улучшенной визуализации детали может быть значительным. Нет лучшего способа удостовериться, что сложная деталь имеет именно те свойства, которые планировались, чем подержать ее в руках, повертеть и посмотреть на нее со всех сторон. В частности, для эстетической оценки дизайна физический объект необходим.

12.3.2. Прототипы для функциональной оценки

Когда проект готов, конструктор должен удостовериться, что он обеспечивает выполнение всех функций, которые изначально предполагались. Простая функциональная оценка может включать проверку практичности сборки, кинематических и аэродинамических характеристик.
Часто бывает необходимо проверить, можно ли легко собрать продукт из составляющих его компонентов или разобрать его для обслуживания. Нередко оказывается, что собрать продукт можно лишь с большими трудностями, а порой и вовсе невозможно. Для простых сборных конструкций возможность или простоту сборки можно оценить, глядя на чертеж. Однако на практике принято выполнять такую проверку путем реальной сборки. В этом случае прототипы, создаваемые методом быстрого прототипирования и изготовления, весьма полезны, поскольку компоненты, сделанные из другого материала, являются тем не менее достаточно адекватными для выполнения сборки. Использование прототипов вместо реальных компонентов дает значительную экономию времени и средств.
При тестировании кинематических характеристик проверяется, функционируют ли движущиеся части сборной конструкции так, как это задумывалось. Движению деталей часто препятствуют неожиданные помехи или другие компоненты сборки. Фактически невозможность движения некоторых компонентов по причине столкновения одних компонентов с другими может быть выявлена только при тестировании собранного физического прототипа. Поскольку кинематические характеристики могут быть проверены на компонентах, не имеющих такой степени прочности, как требуется для конечного продукта, прототипы, изготовленные методом быстрого прототипирования, снова оказываются весьма полезны.
Прототип, созданный посредством быстрого прототипирования и изготовления, можно также использовать для проверки аэродинамических характеристик конструкции путем ее продувки в аэродинамической трубе. Ключевую роль в определении аэродинамических характеристик детали играет ее геометрическая форма, поэтому здесь подойдет прототип, изготовленный из другого материала. Однако для проверки других характеристик - прочности, пределов рабочей температуры, усталости и коррозионной устойчивости - требуется, чтобы прототип был сделан из того же материала, что и оригинальная конструкция. К сожалению, ввиду ограничений на типы материалов, которые могут использоваться для быстрого прототипирования и изготовления, многие из материалов, указываемых конструкторами, не подходят для создания прототипов этим методом. Однако такие прототипы могут использоваться в качестве шаблонов для других производственных процессов, которые мы опишем в следующем разделе. На настоящий момент успешно опробован ряд методов, позволяющих относительно быстро и рентабельно пройти путь от прототипа до реальной функциональной детали.
Значительные преимущества, например, обеспечивает сочетание изготовления моделей и литья. В этом случае литейная модель и стержни изготавливаются системой быстрого прототипирования и используются так же, как и деревянные модели и обычные стержни. Модели могут также использоваться для копирования. Еще одно важное применение прототипов - нанесение покрытий. В частности, приобретает популярность изготовление катодов для процедур электроэрозионной обработки путем нанесения покрытия на медные детали. Ниже приведен перечень технологий производства, в которых в качестве шаблонов можно использовать прототипы, созданные методом быстрого прототипирования [75]:

  • вулканизационное литье из силикона при комнатной температуре;
  • вакуумное литье;
  • формовое блочное литье;
  • аэрозольное металлическое литье (процесс Тафа);
  • литьевое прессование пластмасс;
  • литье в песчаные формы из алюминия и черных металлов;
  • литье по выплавляемым моделям;
  • инструменты для электроэрозионной обработки (процесс Хаузермана).

Какая из технологий окажется наиболее выгодной, зависит от размеров и геометрии прототипа, типа материала функционального компонента, требуемой точности и количества компонентов, которые необходимо изготовить.

12.3.3. Процессы быстрой инструментовки

Быстрая инструментовка (rapid tooling) - новый термин, не имеющий четкого определения. Первоначально он использовался лишь применительно к быстрому прототипированию, но потом стал применяться для описания всех процессов, позволяющих быстро изготавливать инструменты. Сюда относятся процессы обработки (например, высокоскоростная резка) и процессы быстрого прототипирования и изготовления.
Если говорить о быстром прототипировании, то быстрая инструментовка включает в себя четыре типа методов, различающихся числом инверсий шаблона: прямая обработка, одноинверсная обработка, двухинверсная обработка и трехинверсная обработка. Увеличивая число инверсий, можно повысить надежность продукта, но стоимость его при этом будет расти, а точность изготовления - уменьшаться.

Методы прямой инструментовки

При прямой инструментовке инструменты изготавливаются непосредственно путем быстрого прототипирования. ACES-литье под давлением (Direct AIM) фирмы 3D Systems, RapidTool фирмы DTM, Soliform и литье c прямым изготовлением оболочковых форм (DSPC) являются методами прямой инструментовки.
В процессе Direct AIM стержневая и полостная вставки для литейной формы изготавливаются методом стереолитографии из SL-фотополимера с температурой стеклования всего 75 °C. Метод ACES, который мы будем обсуждать позже, - это технология изготовления, разработанная фирмой 3D Systems. Пример стержневой и полостной вставок, изготовленных по методу ACES компанией Xerox с использованием полимера Cibatool SL5170, показан на рис. 12.11. В сборе эти вставки образуют стержневую и полостную части основания формы. Компании Xerox удалось изготовить 100 частей литейной формы из требуемого материала за 5 дней. На переднем плане рис. 12.11 показаны две полистироловые ручки переключателя (одна - с еще не удаленным литником) [76].
В процессе RapidTool используется железистый сплав c малым содержанием углерода, имеющий форму частиц размером 50 мкм, покрытых полимером. Полимерный слой этого порошка расплавляется машиной для лазерного спекания. "Зеленая деталь", созданная таким способом, пропитывается растворимым в воде полимерным связующим веществом. Пропитка осуществляется путем погружения "зеленой детали" на глубину около 0,5 мм в ванну с полимером. Благодаря капиллярному эффекту компоненты высотой до 100 мм полностью пропитываются за полчаса. Компоненты в этом состоянии имеют весьма малую формоустойчивость, поэтому обращаться с ними следует чрезвычайно осторожно. Пропитанная "зеленая деталь" высушивается в вакууме при температуре 50 °C в атмосфере азота.


Рис. 12.11. Стержневая (слева) и полостная (справа) вставки, изготовленные
по методу Direct AIM, и готовая деталь (с разрешения 3D Systems, Inc.)

На последнем шаге процесса используется печь для спекания. Сначала усиленная "зеленая деталь" взвешивается, и по результату взвешивания определяется количество медного сплава, необходимое для пропитки детали. Усиленная "зеленая деталь" и медный сплав помещаются в графитовый тигель. Процесс начинается с того, что в два этапа выдавливается полимерный связывающий агент. Затем деталь нагревается до температуры, при которой железный порошок начинает плавиться, и между соседними частицами металла начинают образовываться перемычки.
Пока железный порошок не расплавился до конца, пористость остается высокой. Температура печи увеличивается далее, после чего медный сплав, который был добавлен в графитовый тигель, начинает таять и проникать внутрь компонента за счет капиллярного эффекта. После охлаждения до комнатной температуры готовый компонент инструмента можно вынимать из печи. Полностью затвердевший компонент имеет в своем составе 60% стали и 40% меди. Всю процедуру в целом иллюстрирует рис. 12.12. Время, требуемое на то, чтобы изготовить "зеленую деталь", зависит в основном от ее размера, а не сложности. При горизонтальных размерах базовой области 180ґ150 мм и высоте 50 мм процедура лазерного спекания "зеленой детали" длится примерно 24 ч. Пропитка полимером и последующая сушка занимают приблизительно 48 ч. Для завершающей обработки в печи требуется около 48 ч. Таким образом, весь процесс изготовления занимает 5 дней, и эта длительность относительно независима от сложности детали. Все процессы выполняются без какого-либо вмешательства человека; в частности, для завершающего процесса обработки в печи предусмотрено множество различных функций и соответствующие программы безопасности. По этой причине в расписание работ можно включать выходные дни. Совокупное время подготовки составляет около четырех часов [24].


Рис. 12.12. Процесс RapidTool для опрессовки под давлением
(с разрешения DTM Corporation)

Литье с прямым изготовлением оболочковых форм (direct shell production casting - DSPC) - это патентованный процесс безмодельного литья, дающий на выходе функциональные металлические детали (например, головку цилиндра автомобильного двигателя) за дни вместо месяцев. В основе технологии DSPC лежит трехмерная печать - процесс, запатентованный Массачусетским Технологическим институтом, исключительную лицензию на который имеет фирма Soligen. CAD-файл спроектированной детали передается по сети или с помощью дискеты модулю проектирования оболочки (shell design unit - SDU) системы DSPC. Затем оператор SDU проектирует керамическую форму для отливки металлической детали, добавляя в геометрию детали литниковую систему и преобразуя обновленный файл в полостной файл в CAD-пространстве. Это одноразовый процесс, по результатам которого можно изготовить множество идентичных керамических форм. После этого по полостному файлу автоматически изготавливается керамическая литейная форма. Форма изготавливается послойно, и процесс создания каждого слоя включает в себя три шага. Сначала модель керамической формы "разрезается", давая поперечное сечение. Затем валиковым механизмом раскатывается слой тонкого порошка. После этого вся область поперечного сечения формы сканируется многоструйной печатающей головкой, наносящей связующее вещество. Проникая в поры между частицами порошка, связующее вещество формирует из них жесткую структуру. По завершении одного слоя модель керамической формы снова разрезается, теперь уже несколько выше, и процесс повторяется, пока не затвердеют все слои формы. Затем форма очищается от избыточного порошка и обжигается, после чего в ней можно производить отливку. DSPC-форма может содержать цельный керамический стержень, что позволяет отливать полые металлические детали. Для литья в DSPC-формы можно использовать практически любые металлы. С помощью этой технологии изготавливались детали автомобилей из алюминия, магния, мягкого железа и нержавеющей стали. Процесс литья с прямым изготовлением оболочковых форм показан на рис. 12.13.


Рис. 12.13. Литье с прямым изготовлением оболочковых форм

Одноинверсные методы

Одноинверсные методы (single-reverse methods) предназначены для непосредственного преобразования различных шаблонов быстрого прототипирования в литые детали из других материалов. Литье по выплавляемым моделям, аэрозольное металлическое литье и вулканизационное литье из силиконовой резины являются одноинверсными методами. Процесс одноинверсной инструментовки изображен на рис. 12.14.


Рис. 12.14. Процесс одноинверсной инструментовки

Литье по выплавляемым моделям - это прецизионный процесс литья, используемый для изготовления металлических деталей почти из любых сплавов. Хотя в прошлом он использовался главным образом для создания произведений искусства, теперь этот метод широко используется в производстве компонентов, требующих сложного, высокоточного, зачастую тонкого литья высокого качества. В отличие от литья в песчаные формы, где по одной модели можно изготовить большое количество форм, при литье по выплавляемым моделям для каждой отливки необходимо использовать новую форму. Эти модели, обычно изготавливаемые методом литья под давлением, сделаны из воска, формула которого специально подобрана для этого процесса. Готовая восковая модель объединяется с другими восковыми компонентами, образуя систему подачи металла, называемую системой литников и желобов (gate and runner system). Далее вся восковая конструкция опускается в суспензию, обсыпается песком и оставляется высыхать. Многократные процедуры погружения и обсыпания повторяются до тех пор, пока не будет наращена оболочка толщиной 6,35-9,5 мм. По высыхании керамики вся сборка помещается в паровой автоклав, чтобы удалить большую часть воска. После автоклавирования оставшийся воск, впитавшийся в керамическую оболочку, выжигается в воздушной печи. В результате получается пустая оболочка. Затем ее обычно нагревают до определенной температуры и заливают в нее расплавленный металл. Нагревание формы помогает заполнить сложные конфигурации и тонкие места. Когда отлитая деталь достаточно охладится, оболочка обламывается с формы, после чего удаляются литники и желобки. Таким образом, процесс требует, чтобы для каждой новой отливки создавалась, а затем разрушалась отдельная модель.
Традиционный метод литья по выплавляемым моделям с опрессовкой под давлением изображен на рис. 12.15, а. Быстрое прототипирование позволяет сэкономить время, устраняя необходимость в изготовлении формы для литья под давлением. Процесс литья по выплавляемым моделям, включающий использование модели, выполненной методом быстрого прототипирования, показан на рис. 12.15, б. Различные процессы быстрого прототипирования для изготовления литейных моделей сравниваются в табл. 12.3.


Рис. 12.15. Литье по выплавляемым моделям: а - традиционный метод; б - использование прототипа, изготовленного методом БПИ

Литье в песчаные формы используется в случаях, когда гладкость результирующей поверхности не является критичной. Это технология крупносерийного производства, требующая стабильных литейных моделей, стержней и стержневых ящиков. Для создания крупных, громоздких моделей и стержней, используемых при литье в песчаные формы, хорошо подходит процесс изготовления ламинированных объектов. Когда требуется 100 компонентов, ламинированные детали можно отполировать, герметизировать, покрасить и использовать непосредственно для создания отпечатков в песке. Изготовленный методом ламинирования прототип, используемый в качестве модели для литья в песчаные формы, изображен на рис. 12.16.


Рис. 12.16. Модель для литья в песчаные формы (с разрешения Helisys, Inc.)

Таблица 12.3.
Сравнение различных процессов быстрого прототипирования для изготовления литейных моделей
(с разрешения Cercast Group, Монреаль, Канада)

Поставщик 3D Systems 3D Systems DTM DTM Helisys Stratasys Sanders Prototype
Процесс стереолитография стереолитография (QuickCast) избирательное лазерное спекание, воск избирательное лазерное спекание, поликарбонат ламинирование моделирование методом наплавления Model-Maker (струйный)
Совместимость плохая от средней до хорошей отличная хорошая от средней до хорошей от хорошей до отличной отличная
Точность модели по XY отличная отличная средняя хорошая хорошая от средней до хорошей превосходная
Точность модели по Z низкая низкая средняя хорошая хорошая от средней до хорошей превосходная
Температурное расширение перед выжиганием высокое высокое пренебрежимое от умеренного до низкого низкое пренебрежимое пренебрежимое
Время выжигания длительное умеренно длительное малое малое длительное малое малое
Остаток после выжигания от умеренного до большого малый отсутствует малый большой отсутствует отсутствует
Гладкость поверхности хорошая хорошая плохая средняя средняя плохая превосходная

Аэрозольное металлическое литье (spray metal molding) применяется для изготовления форм для мелкосерийного литья прототипов под давлением. Модель монтируется на металлической или деревянной основе, создаются линии разъема. Обычно модель разделяется на две половины (если она не была изначально изготовлена разъемной) глиняной или деревянной перегородкой. Затем она покрывается тонким слоем высокотемпературной изоляции, например печной эмали, и разделительным составом, таким как поливиниловый спирт. После этого на одну половину прототипа наносится металлический аэрозоль. Далее оболочка окружается стенками, образующими ящик, в который заливается эпоксидная смола. Внутри ящика вдоль оболочки проводятся линии охлаждения, которые обеспечивают надлежащую температуру и предотвращают растрескивание. Ящик с оболочкой заливается эпоксидной смолой, после чего все вместе переворачивается вверх дном и перегородка удаляется. Пока что готова только половина формы. Тот же самый процесс необходимо применить к необработанной стороне модели. Когда это будет сделано, половины разделяются по линии разъема, и оригинальная модель извлекается. Получается форма, состоящая из двух частей. Такая форма позволяет отлить под давлением до 1000 деталей, в связи с чем идеальным способом создания прототипа для данного процесса является ламинирование. Процесс аэрозольного металлического литья с использованием модели, выполненной методом быстрого прототипирования, иллюстрирует рис. 12.17.
Вулканизационное литье из силиконовой резины при комнатной температуре (room temperature vulcanizing - RTV) - быстрый и недорогой процесс, применяемый для создания пластиковых компонентов. В этом процессе прототип используется в "положительной" форме окончательной детали. К прототипу присоединяется вертикальный литник (обычно с помощью суперклея), литник и прототип промываются не оставляющей ворсинок тряпкой, смоченной изопропиловым спиртом, а затем их осторожно подвешивают внутри чистого ящика из гофрированной бумаги. В ящик заливается силиконовый материал, полностью покрывая прототип. После этого все вместе - ящик, неотвержденный материал, прототип и литник - помещается в вакуумную камеру и дегазируется при комнатной температуре. Это делается для того, чтобы избавиться от содержащихся в материале пузырьков воздуха, которые могут привести к дефектам поверхности формы, если окажутся на границе между прототипом и материалом. После надлежащей дегазации материала (длящейся около пяти минут) все сооружение помещается в термостабилизированную печь и сушится в течение приблизительно четырех часов при температуре 50 °C.
Процесс сушки при вулканизационном литье является экзотермическим, поэтому форму необходимо медленно охлаждать до комнатной температуры (примерно в течение часа), чтобы свести к минимуму искажения. После этого форма с прототипом извлекается из ящика и разрезается скальпелем, в результате чего образуется поверхность разъема. Практика показывает, что в действительности лучше намеренно делать разрез "волнистым" ближе к краю формы, но значительно более гладким вблизи прототипа. В результате взаимное положение выпуклостей и вогнутостей каждой из половин формы будет точно определено (рис. 12.18). Процедура вулканизационного литья из силиконовой резины изображена на рис. 12.19.

Рис. 12.17. Процесс аэрозольного металлического литья с использованием модели, изготовленной методом БПИ

Рис. 12.18. Модель, изготовленная методом стереолитографии (слева внизу), половинки формы (вверху) и три корпуса магнитолы, отлитые из полиуретана
(с разрешения 3D Systems, Inc.)

Рис. 12.19. Процедура вулканизационного литья из силиконовой резины
при комнатной температуре

В готовую форму можно заливать в вакууме любой из широкой гаммы полиуретанов. Есть множество составов, специально предназначенных для вакуумного литья и обладающих рядом требуемых свойств - твердостью, прочностью на изгиб, модулем изгиба, прочностью на разрыв, модулем разрыва, удлинением на разрыв и прочностью на удар с надрезом по Изоду [76].

Двухинверсный метод

Если требуется изготовить тысячи компонентов, стержни и полости можно преобразовать в модели из твердого пластика (методом вулканизационного литья), алюминия или стали (методом литья по выплавляемым моделям). Этот двухинверсный метод был разработан с целью преодолеть недостатки методов прямой инструментовки и одноинверсных методов, в частности отсутствие надежности. Двухинверсный метод инструментовки изображен на рис. 12.20.

Рис. 12.20. Двухинверсная инструментовка

Трехинверсный метод

В трехинверсном методе литейная модель, изготовленная путем одноинверсной инструментовки (рис. 12.21, а), преобразуется в литейную форму (рис. 12.21, б). Литье в гипсовые формы и метод 3D Keltool от 3D Systems могут быть отнесены к трехинверсным методам.
Литье в гипсовые формы используется для изготовления алюминиевых компонентов высокой степени сложности, требующих большей гладкости поверхности, чем можно достичь при литье в песчаные формы. Литье в гипсовые формы идеально для компонентов, гладкость поверхности которых должна быть близка к той, которая обеспечивается литьем под давлением. В этом процессе сначала создается дубликат прототипа в виде модели из гибкой резины, которая, в свою очередь, используется для изготовления одноразовых гипсовых форм, куда можно заливать расплавленный металл. Применение гибкой резины обусловлено тем, что ее можно легко удалить из довольно хрупких гипсовых форм.
Первый шаг в литье в гипсовые формы - изготовление формы из резины, эпоксидной смолы или полиуретана, в качестве модели для которой служит прототип (рис. 12.22, а). Этот процесс аналогичен тому, с помощью которого изготавливаются формы из силиконовой резины для литья из эпоксидной смолы. Сначала прототип помещается в формовочный ящик. В ящик заливается жидкий материал до планируемой линии разъема, материалу дают затвердеть. Когда первая половина формы затвердеет, разъемную поверхность обрабатывают разделительным составом, после чего заливается и отверждается вторая половина формы. Для деталей, не имеющих четко определимой линии разъема, можно сделать форму из нескольких секций. По этой первой форме изготавливается модель из гибкой резины, которая затем устанавливается в формовочный ящик и аналогичным образом заливается ячеистым гипсом. Готовые половинки гипсовой формы можно легко разнять и вынуть резиновую модель, не сломав гипс. После удаления резиновой модели половинки гипсовой формы сушатся в печи в течение 24-48 ч для полного затвердевания.
Высушенные половинки вновь скрепляются, и в них заливается расплавленный алюминий, магний или цинк (рис. 12.22, б). Когда металл остынет, гипсовые формы разбиваются или смываются струей воды высокого давления. По одной гипсовой модели обычно можно изготовить 25-100 гипсовых форм. Если нужны дополнительные резиновые модели, их можно отлить в исходную форму из эпоксидной смолы.

Рис. 12.21. Трехинверсный метод: а - одноинверсный процесс
для создания резиновой формы; б - двухинверсный процесс
для создания инструментов

Рис. 12.22. Процесс литья в гипсовые формы: а - шаг I; б - шаг II
(Источник: Rapid Prototyping Report, Vol. 5, No. 1,
CAD/CAM Publishing, Inc., January, 1995.)

В методе 3D Keltool используется патентованный процесс спекания металла для изготовления стержневых и полостных вставок непосредственно по прототипу, полученному методом стереолитографии. Срок службы форм, созданных методом 3D Keltool (полости и стержни имеют твердость по Роквеллу до 50), близок к сроку службы стандартных стальных форм, а кроме того, эти формы имеют лучшую теплопроводность при меньших длительностях цикла.
После надлежащей обработки прототип готов к процессу 3D Keltool. Здесь прототип может иметь "положительную" или "отрицательную" форму (рис. 12.23). Главное преимущество прототипов с положительной геометрией состоит в том, что их гораздо легче шлифовать и полировать. Эти положительные прототипы, используемые в процессе обратной генерации (reverse generation), где слово "обратный" относится к процессу инструментовки, очень похожи на законченную деталь, изготовленную методом литья под давлением, если не учитывать необходимость компенсации усадки и свойств материала. Прототипы с отрицательной геометрией, используемые в процессе прямой генерации (same generation), аналогичны готовым стержневым и полостным вставкам, также если не брать в расчет компенсацию усадки и свойства материала.
Для случая должным образом обработанного положительного прототипа, полученного методом стереолитографии (первый шаг в правой части рис. 12.23), первый шаг процесса 3D Keltool включает формирование "прототипа в ящике" (второй шаг в правой части рис. 12.23).

Рис. 12.23. Два различных способа получения металлических вставок с использованием процесса 3D Keltool (с разрешения 3D Systems, Inc.)

Далее в ящик заливается дегазированный в вакууме силикон. После его затвердевания положительный прототип и силикон извлекаются из ящика. Результатом этого второго дополнительного шага является промежуточная форма с отрицательной геометрией, сделанная из силикона (третий шаг на рис. 12.23). На следующем шаге изготавливается окончательная "положительная в ящике" силиконовая форма (четвертый шаг на рис. 12.23). Теперь форма является практически дубликатом оригинального положительного прототипа, за исключением того, что она существует в виде "положительной в ящике" формы. Патентованная смесь из металлических частиц (например, инструментальная сталь A6 с патентованным связующим составом) тщательно размешивается и заливается в "положительную в ящике" форму, после чего ей дают затвердеть (пятый шаг на рис. 12.23). То, что имеется после затвердевания, представляет собой "зеленую деталь", имеющую достаточную прочность, чтобы в точности поддерживать свою геометрическую форму при обычном обращении. Потом "зеленая деталь" удаляется из "положительной в ящике" формы и обжигается при достаточно высокой температуре, чтобы сплавить частицы металла и выжечь связующее вещество. Наконец, обожженная деталь, состоящая примерно на 70% из стали, а на 30% из пустот, пропитывается медью. Конечный результат представляет собой стопроцентно твердую полость формы (шестой шаг на рис. 12.23).
С помощью одной вставки, изготовленной по методу Keltool, было отлито под давлением 10 миллионов деталей из чистого пластика. На данный момент размер вставок, выполняемых по методу 3D Keltool, ограничен 150 мм по всем трем измерениям, что дает максимальный размер детали около 100 мм. В настоящее время проводятся исследования, целью которых является увеличение возможных размеров изготавливаемых деталей.

12.3.4. Примеры специального применения быстрого прототипирования

Весьма вероятно, что по мере развития технологии методы быстрого прототипирования будут находить применение во многих других областях. К недавно найденным вариантам применения относятся инженерный анализ, визуализация потоков, фотоэластическое тестирование и медицинское моделирование.

Инженерный анализ

Инженерный анализ (reverse engineering) - это способ получения трехмерных данных в компьютеризированной форме из физических моделей или продуктов. Он имеет явные преимущества в смысле сокращения времени прохождения продукта от стадии проектирования до выхода на рынок, а также эффективного использования вкупе с другими технологиями экономии времени, такими как быстрое прототипирование и тиражирование. Процесс инженерного анализа состоит из двух фаз: оцифровка, или измерение детали, и трехмерное моделирование детали на основе данных оцифровки. Поверхности, определенные по данным оцифровки, обрабатываются и превращаются в твердотельную модель, которую необходимо экспортировать в STL-файл. Как будет объяснено в разделе 12.4.1, STL-файл - это стандартные входные данные для любого процесса быстрого прототипирования. Перенеся STL-файл на машину для быстрого прототипирования, можно изготавливать копии отсканированной модели. Основные шаги применения инженерного анализа в быстром прототипировании иллюстрирует рис. 12.24.

Рис. 12.24. Инженерный анализ в быстром прототипировании и изготовлении

Визуализация потока

Требования термодинамической эффективности и долговечности, предъявляемые к высокопроизводительным и изностойким двигателям внутреннего сгорания, обусловливают необходимость протекания через все цилиндры постоянного потока охлаждающего агента. Чтобы обнаружить в испытывающих большие механические напряжения областях крышки цилиндра и особенно картера те места, которые недостаточно снабжаются охлаждающим агентом, необходимо всестороннее тестирование. Термодинамические последствия неравномерного распределения охлаждающего агента - это медленное горение топливно-воздушной смеси и повышенная эмиссия углеводородов из холодных цилиндров, а также проблема "стука" в "горячих" цилиндрах. Вопросы распределения охлаждающего вещества становятся все более важными из-за экологических ограничений на выхлопы автомобилей.
Существующие методы тестирования обычно включают эксперименты на испытательном стенде, в которых используются литые компоненты. К сожалению, оснастка и формы, необходимые для отливки этих компонентов, зачастую поступают в распоряжение лишь на очень поздних стадиях проекта. Более того, различные адаптации, требуемые для тестирования, например бегунки для сенсоров и вырезы для оптических систем, могут привести к неверному отображению поведения реальной конфигурации в рабочем двигателе.
Быстрое прототипирование может быть эффективным альтернативным подходом к тестированию распределения охлаждающего агента. Оно позволяет с экономией времени и средств изготавливать прозрачные модели для исследования поведения потока в реальных системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с ранее используемыми методами это дает не только значительные экономические преимущества, но и более высокое качество конечного продукта. Дополнительную информацию можно получить путем визуализации шаблона течения охлаждающего агента. Для этого в поток осторожно вводят крошечные пузырьки воздуха и записывают их движение на высокоскоростную видеокамеру. Изготовленный методом стереолитографии прозрачный картер коробки передач, который позволяет наблюдать поток смазочного масла, показан на рис. 12.25.

Рис. 12.25. Прозрачный картер коробки передач для Porsche, изготовленный методом стереолитографии (Источник: Rapid Prototyping Report, Vol. 6, No. 6,
CAD/CAM Publishing, Inc., June, 1996.)

Фотоэластическое тестирование

Механические напряжения и растяжения в физическом компоненте можно определить при надлежащих условиях путем фотоэластического тестирования (photoelastic testing). В основе этого метода лежит временное двулучепреломление прозрачного материала, подвергнутого определенной нагрузке. Свойством двулучепреломления обладает ряд пластических материалов. Двулучепреломление - это характеристика, проявляющаяся при облучении тестового образца поляризованным белым или монохроматическим светом и состоящая в том, что один падающий луч разделяется на два, в которых световые колебания взаимно перпендикулярны. Если тестовый материал прозрачен и демонстрирует адекватное двулучепреломление, направления результирующих лучей будут соответствовать направлениям главных механических напряжений. К счастью, прототипы, изготовленные методом стереолитографии из эпоксидной смолы (например, SL 5170 и LMB 5353-1 от Ciba-Geigy), обладают высокой степенью прозрачности и близки по своим характеристикам к тестовым образцам из смолы Araldite, широко используемой для фотоэластического тестирования. Различные производители, такие как Ciba-Geigy, Alleid Signal и DuPont, протестировали буквально тысячи потенциальных формул смол для этой цели. На сегодняшний день лишь около 20 смол удалось коммерчески использовать для стереолитографии. То, что этот метод не получил широкого распространения, свидетельствует о трудности одновременного выполнения всех требований фотоэластического тестирования: оптического двулучепреломления, оптической прозрачности, линейной зависимости порядка интерференции от приложенной силы и постоянства фотоэластического коэффициента [77].

Медицинские модели

Объединение технологий сканирования из области медицины и быстрого прототипирования из области проектирования позволяет теперь работать с данными анатомических изображений совершенно по-иному, чем это было возможно раньше. На основе данных компьютерной томографии и магнитно-резонансной интроскопии можно изготавливать методом быстрого прототипирования копии различных элементов человеческой анатомии. Имеется ряд коммерческих программ, способных преобразовывать данные изображений в STL-файл. Модели человеческих органов или костей, полученные методом быстрого прототипирования, могут использоваться следующим образом.

  • В качестве средства оперативного планирования. С помощью быстро изготовленной модели хирург сможет лучше понять анатомические отклонения, что позволит ему более эффективно планировать даже самые сложные хирургические манипуляции.
  • В качестве средства хирургического моделирования сложных восстановительных процедур. Хирургические процедуры теперь можно реалистично смоделировать на быстро изготовленных моделях, заменяющих объект операции. Модели изготавливаются из материала, близкого по своим свойствам к кости, поэтому хирурги могут отрепетировать план операции, используя те же самые инструменты, что и в операционной. Модели можно также стерилизовать для использования в качестве наглядного образца при операции. Это повышает точность хирургических манипуляций и сокращает длительность операции.
  • В качестве наглядного средства коммуникации в дискуссиях хирурга с пациентом, с другими хирургами, вспомогательным хирургическим персоналом и юристами.
  • В качестве средства документирования анатомических отклонений пациента для последующего обсуждения и сравнения.
  • В качестве прототипа для создания имплантанта.

Пример средства для репетиции хирургического вмешательства изображен на рис. 12.26. Голову двухлетнего мальчика, страдающего от гигантской фронтальной мозговой грыжи, просканировали компьютерным томографом, после чего были изготовлены две биомодели его черепа, а также третья, зеркально симметричная относительно левой стороны. Хирург использовал две биомодели в качестве ориентира, а на третьей отрепетировал план операции. Результатом явилось глубокое и точное знание требуемых сечений, что привело к сокращению длительности операции и улучшению ее исхода.

Рис. 12.26. Медицинская модель, изготовленная методом БПИ, для репетиции хирургической процедуры (с разрешения ANATOMICS, www.qmi.asn.au/anatomics,
авторские права защищены)

12.4. Процесс стереолитографии

Как кратко описывалось в разделе 12.2.1, стереолитография - это процесс трехмерной печати, дающий на выходе пластиковые копии геометрических моделей. В этом процессе используется движущийся под управлением компьютера лазерный луч, формирующий поперечные сечения модели на поверхности светоотверждающегося жидкого пластика. Отверждение производится с помощью гелий-кадмиевого или аргонового лазера путем послойного освещения снизу доверху. Это означает, что вертикальный подъемник в чане шаг за шагом опускается вниз (рис. 12.1).
SLA-1, первая коммерческая машина для быстрого прототипирования, разработанная 3D Systems, была публично представлена на шоу AUTOFACT в Детройте в ноябре 1987 г. Первая серийно выпущенная машина SLA-1 была поставлена в апреле 1988 г. фирме Precision Castparts Corporation (Орегон). SLA-250, машина, аналогичная SLA-1, но с усовершенствованной системой формирования слоя, была анонсирована в 1989 г. SLA-5000, машина большего размера и производительности, начала продаваться в 1990 г. Ее рабочий объем составляет 508x508x584 мм - примерно в восемь раз больше, чем у SLA-250 (250x250x250 мм).
В следующих разделах мы опишем операции, выполняемые машиной SLA в процессе изготовления прототипа.

12.4.1. Входные геометрические данные

Первый шаг в процессе стереолитографии, который практически идентичен во всех процессах быстрого прототипирования, - это получение трехмерной геометрической модели изготавливаемой детали. Это должна быть твердотельная или по крайней мере поверхностная модель. Таким образом, необходимым условием для использования стереолитографии и других процессов быстрого прототипирования является наличие качественной программной системы твердотельного или поверхностного моделирования.
Как правило, формат, в котором хранится геометрическая модель трехмерного объекта, зависит от используемой системы твердотельного или поверхностного моделирования. Поэтому в SLA и других машинах для быстрого прототипирования предусмотрен прием данных в одном фиксированном формате - STL. Формат файлов STL (расширение .stl), разработанный Albert Consulting Group, был введен в обращение фирмой 3D Systems в 1987 году.
В STL-файле объект представлен в виде сети из соединенных между собой треугольников. Представленный таким образом объект называется мозаичным объектом (tessellated object) или фасетным объектом (faceted object). На рис. 12.27, а показана твердотельная модель, а на рис. 12.27 (б) - мозаичная модель панели для мобильного телефона из главы 1.

Рис. 12.27. Модели панели для сотового телефона: а - оригинальная модель; б - мозаичная модель

В STL-файле вершины каждого треугольника перечислены в порядке, который указывает, какая из сторон треугольника "содержит" материал. Вектор нормали указывает наружу (рис. 12.28). STL-файл в ASCII-формате представлен в листинге 12.1, а STL-файл в бинарном формате - в табл. 12.4. Обратите внимание, что текстовая и бинарная версия STL-файла не полностью совместимы. Бинарная версия содержит дополнительную информацию об атрибутах, которая в настоящее время не используется. Формат ASCII предназначен для целей отладки и тестирования. Преимущества и недостатки формата STL могут быть охарактеризованы следующим образом.

Рис. 12.28. Направление нормали ячейки в формате STL
Листинг 12.1. STL-файл в формате ASCII

solid example
facet normal 6.89114779E-02 -9.96219337E-01 -5.28978631E-02
outer loop
vertex 2.73239994E+01 1.08957005E+01 4.57905006E+01
vertex 2.81019993E+01 1.09582005E+01 4.56250000E+01
vertex 2.75955009E+01 1.09116001E+01 4.58456993E+01
endloop
endfacet
...
...
endsolid example

Таблица 12.4. STL-файл в ASCII бинарном представлении

Байт Тип Описание
80 string Заголовок с общей информацией (например, об используемой CAD-системе)
4 unsigned long integer Количество ячеек
Определение первого треугольника
4 float нормаль x
4 float нормаль y
4 float нормаль z
4 float вершина1 x
4 float вершина1 y
4 float вершина1 z
4 float вершина2 x
4 float вершина2 y
4 float вершина2 z
4 float вершина3 x
4 float вершина3 y
4 float вершина3 z
2 unsigned integer Количество байтов атрибутов должно быть установлено равным нулю
Определение второго треугольника
...

...
   

Преимущества

  • Простота преобразования. Структура STL-файла очень проста, поскольку он содержит только список плоских треугольников. Трехмерную модель можно преобразовать в формат STL с помощью стандартных алгоритмов плоской триангуляции. Точностью выходных данных можно легко управлять, и возникающие вырождения минимальны.
  • Широкий диапазон входных данных. Любая форма трехмерной геометрии может быть преобразована в триангулированную модель ввиду широкой применимости имеющихся алгоритмов поверхностной триангуляции.
  • Простой алгоритм расщепления. Алгоритм расщепления STL-модели прост; он включает лишь обработку набора треугольников.
  • Разбиение STL-моделей. Если рабочее пространство машины для быстрого прототипирования мало по сравнению с размером модели, STL-файл модели необходимо разбить на несколько частей, которые смогут уместиться в этом пространстве. С STL-файлом эту операцию выполнить легко. Однако разбитые STL-файл должны проверяться на корректность индивидуально.

Недостатки

  • Многословность и избыточность данных. Хранящиеся в файле данные о нормалях ячеек являются избыточными, поскольку эти данные можно получить из списка вершин ячеек путем их обхода в определенном порядке. Кроме того, координаты одних и тех же вершин фигурируют в файле неоднократно, поскольку каждая вершина принадлежит более чем одной ячейке.
  • Ошибки, обусловленные аппроксимацией. Основная проблема STL заключается в его относительно неудачном способе представления кривых поверхностей, которые можно аппроксимировать лишь треугольными ячейками.
  • Ошибки округления. Ошибки округления в STL, возникающие при арифметических операциях с плавающей точкой, являются значительными из-за отсутствия топологической информации о модели.
  • Недостаток информации. Исходная трехмерная модель является в общем случае законченной и несет в себе полезную информацию о геометрии, топологии и материале. При преобразовании этой информации в формат STL сохраняются только базовые геометрические данные, а вся остальная информация теряется. Эту информацию можно было бы использовать для дальнейших расчетов (например, для определения направления наращивания и создания поддерживающей структуры) либо для проверки объема преобразованной модели.

Недостатки STL-файлов - это проблемы, характерные для формата STL как такового. Более того, ошибки могут возникать на этапе обработки и преобразования трехмерной модели в формат STL. Даже если исходная трехмерная модель не имеет дефектов, результирующая STL-модель может содержать ошибки, зависящие от эффективности, надежности и точности алгоритма преобразования. Например, треугольники могут не полностью покрывать граничные поверхности исходного объекта. В этой ситуации поперечное сечение, которое будет получено на следующем шаге, будет иметь открытую границу, что даст неверную форму прототипа (рис. 12.29). На рис. 12.29, а ошибка в фасетной аппроксимации боковой поверхности цилиндрического контейнера привела к возникновению зазора, на который указывает треугольник. В результате было получено неправильное поперечное сечение (рис. 12.29, б). Поэтому программа-транслятор, преобразующая геометрическую модель в STL-файл, должна быть написана так, чтобы не нарушать ни одно из описанных выше требований.

Рис. 12.29. Проблема, вызванная наличием зазора

Можно задать определенные параметры, с помощью которых мы могли бы контролировать общее число треугольников в фасетной аппроксимации при использовании транслятора. Иначе говоря, при создании STL-файла из трехмерной модели мы можем контролировать величину отклонения фактической поверхности модели от аппроксимирующих ее треугольных ячеек по нормали (рис. 12.30).

Рис. 12.30. Отклонение хорды в STL-файле

Можно задать максимальное расстояние, на которое аппроксимирующий треугольник может быть удален от исходной поверхности. Больший объем STL-файла приведет к увеличению времени расщепления при генерации поперечных сечений и большему объему файла сечений, но зато повысит точность. Зависимостью времени изготовления от размера STL-файла можно пренебречь.
На сегодняшний момент STL-файлы стали фактическим стандартом представления входных данных для всех типов систем быстрого прототипирования. В действительности большинство систем твердотельного моделирования предусматривают возможность сохранения данных в виде STL-файлов. Это не требует от системы твердотельного моделирования дополнительной работы, поскольку фасетное представление все равно необходимо для вывода изображения объекта с автоматическим формированием теней.

12.4.2. Ориентация детали

Точность и эффективность процесса стереолитографии зависят от того, как объект располагается в чане. Критерии определяются тем, что нужно пользователю. От выбранной пользователем ориентации детали в рабочей камере будет зависеть длительность изготовления, разрешающая способность и гладкость поверхности. Очевидно, что минимизация высоты приведет к уменьшению требуемого количества слоев и тем самым к сокращению длительности изготовления. В зависимости от предполагаемого способа использования детали пользователь может пожертвовать быстротой изготовления в пользу большей разрешающей способности или точности. Обычно наиболее важна точность изготовления детали, следующим по значимости является эстетический фактор, а длительность изготовления несколько менее критична.
Более высокая разрешающая способность кривых поверхностей достигается путем ориентации их в горизонтальной плоскости перпендикулярно лазерному лучу. Наклонные поверхности, идущие вдоль оси расщепления, будут иметь явственный "ступенчатый" вид (рис. 12.31). Высота каждой ступеньки - это толщина слоя в данном месте детали. Для некоторых случаев ориентации детали может потребоваться поддерживающая структура.

Рис. 12.31. Ступенчатый вид кривой поверхности

В общем, определяя оптимальную ориентацию детали, необходимо принимать в расчет такие факторы, как требуемая гладкость поверхностей, возможность размещения максимального количества деталей на платформе, сведение к минимуму числа подпорок, а также обеспечение надлежащей поддержки для нависающих частей детали.

12.4.3. Поддерживающая структура

Следующим шагом является моделирование поддерживающих структур и соответствующих STL-файлов. Поддерживающие структуры в процессе стереолитографии аналогичны держателям для деталей в машинной обработке (например, зажимным патронам). Они необходимы в стереолитографии по следующим причинам. Во-первых, они гарантируют, что лезвие формирователя слоя не ударится о платформу при нанесении первого (нижнего) слоя. Лезвие формирователя слоя перемещается поступательно по внешней поверхности жидкой смолы для получения слоя равномерной толщины. Во-вторых, поддерживающие структуры обеспечивают равномерность толщины слоя вне зависимости от возможной деформации платформы. Любые неоднородности принимает на себя слой поддерживающих структур, поэтому слой детали имеет одинаковую толщину во всех местах. В-третьих, они обеспечивают простоту снятия готовой детали с платформы. Обычно поддерживающие структуры имеют неплотный контакт с платформой. Для достижения означенных выше трех целей минимальное возвышение пьедестала над поверхностью платформы должно составлять от 6,35 мм (0,25 дюймов, для SLA-250) до 8,89 мм (0,35 дюймов, для SLA-5000) [75]. Поддерживающая структура должна также следовать периферийной части нижнего слоя детали, включая углы. Поддержка всей нижней плоскости детали ограничит ее тенденцию к изгибанию под собственным весом по мере наращивания следующих слоев. Однако на практике край поддерживающей структуры делают отступающим внутрь от края нижнего слоя детали на 0,254 мм (0,01 дюйма). Это позволяет избежать поломки краев при удалении поддерживающей структуры. Распространенной практикой является изготовление ячеистого пьедестала типа контейнера для яиц (рис. 12.32), что позволяет легко удалить поддерживающую структуру.

Рис. 12.32. Генерация ячеистого шаблона для пьедестала

Поддерживающие структуры требуются также, когда деталь имеет "островки" или нависающие части. Островком (island) называется часть детали, не связанная с какой-либо другой частью данного слоя (см. рис. 12.2, б). В этом случае островок присоединяется к платформе или к самой детали путем проектирования профиля островка на поверхность платформы или предыдущего слоя детали. Соединение с предыдущим слоем может быть предпочтительно, если островок располагается высоко над платформой, поскольку это сократит длительность изготовления. Нависшие части также следует поддерживать с помощью треугольных подпорок, называемых клиньями (gussets) (см. рис. 12.2, а). Выступ, выдающийся более чем на 1,27 мм (0,05 дюймов), будет изгибаться под собственным весом, если его не подпирать. Арки или выпуклые поверхности поддерживают себя сами, поскольку величина уступа между соседними слоями мала, и поддерживающие структуры не требуются. Но если поверхность является плоской, обращенные вниз поверхности длиной более 1,27 мм необходимо поддерживать (рис. 12.2, в и г).
Во многих системах твердотельного и поверхностного моделирования предусмотрен режим сборки, в котором пользователь может моделировать поддерживающие структуры, глядя или опираясь на геометрию детали.

12.4.4. Расщепление и объединение

На стадии расщепления и слияния деталь и поддерживающие структуры рассекаются компьютером на серию параллельных горизонтальных плоскостей. Результатом являются файлы сечений, состоящие из расположенных слоями друг над другом поперечных сечений. Расстояние между поперечными сечениями - это толщина слоя. Толщина слоя выбирается исходя из упомянутого выше эффекта "ступенек". Нижний предел толщины слоя определяется разрешающей способностью управления подъемным механизмом платформы, а верхний - мощностью лазера и скоростью сканирования. В существующих машинах для стереолитографии диапазон допустимой толщины слоя составляет от 0,064 мм (0,0025 дюйма) до 0,762 мм (0,030 дюйма).
После того как файлы сечений для детали и поддерживающих структур созданы, они объединяются, так что деталь и ее поддерживающие структуры могут изготавливаться вместе как единое целое. Если одновременно на одной платформе должны изготавливаться несколько деталей (рис. 12.33), файлы сечений всех деталей и поддерживающих структур объединяются таким образом, что поперечные сечения, принадлежащие одному и тому же слою, интерпретируются как поперечное сечение одной детали.
На этой стадии также определяются параметры, необходимые для изготовления детали (предполагаемый стиль и желаемый шаг решетки, компенсация ширины линии и коэффициенты компенсации усадки).

Рис. 12.33. Пример объединения двух различных деталей

Стиль и шаг решетки

Внутренняя решетка (internal hatch) - это метод отверждения внутренности детали, или объема внутри границ. Поскольку отверждение производится путем сканирования лучом лазера конечного диаметра, практически невозможно полностью просканировать внутренность детали. Однако выборочное сканирование может обеспечить структурную жесткость, а незатвердевшие области оставляются до процедуры окончательного отверждения. То есть сначала очерчиваются границы, а затем сканируется внутренность, для чего используется один из следующих стилей. Трехлинейная решетка (Tri-Hatch) состоит из линий, параллельных оси x, а также линий под углом 60° и 120° к оси x. Это дает внутреннюю структуру из равносторонних треугольников. Шаг между этими линиями чаще всего устанавливается равным 1,27 мм (0,05 дюйма). Трехлинейная решетка была самым распространенным шаблоном сканирования, пока не появился метод WEAVE - новая технология изготовления деталей, разработанная фирмой 3D Systems.
В методе WEAVE обычно используется решетка из линий, параллельных осям x и y. Обратите внимание, что ячеистый шаблон для подпорки-основания, показанной на рис. 12.32, можно создать с помощью метода WEAVE с большим шагом решетки. Решетка для детали имеет шаг около 0,279 мм (0,011 дюйма) при толщине слоя 0,254 мм (0,010 дюйма) по осям x и y. Для более тонких слоев необходимо уменьшать шаг решетки.
Появление метода WEAVE значительно повысило точность изготовления деталей в сравнении с прежним методом трехлинейной решетки. С тех пор были разработаны еще несколько технологий выполнения процесса. Почти все передовые процессы изготовления деталей, стремящиеся повысить точность изготовления детали, сосредоточиваются на минимизации эффектов внутреннего напряжения. Технологии STAR-Weave, QuickCast и ACES были специально разработаны с целью уменьшить искажения.
Новый стиль STAR-WEAVE, являющийся производным от WEAVE, вводит три новых понятия: шахматная решетка (staggered hatch), чередование последовательности (alternate sequencing) и сокращенная решетка (retracted hatch). В акрониме "STAR-WEAVE" буквы "ST" обозначают шахматную решетку, "A" - чередование, а "R" - сокращенную решетку.
Различия между обычной и шахматной решеткой иллюстрирует схематическая диаграмма на рис. 12.34. При сканировании по методу STAR-WEAVE, поскольку вектора решетки n-го слоя смещены ровно на половину шага обычной решетки (hs/2) по отношению к векторам решетки (n - 1)-го слоя, какие-либо следы микротрещин исчезают. Кроме того, этот метод позволяет уменьшить концентрацию напряжений вдоль более слабых областей между векторами.
Термин чередование последовательности означает, что последовательность рисования линий чередуется от слоя к слою. В этом случае векторы X и Y будут чередоваться в порядке, определенном последовательностью рисования. Так, например, в четных слоях первыми могут рисоваться векторы X, а в нечетных - векторы Y. Более того, направление рисования векторов также чередуется. Соответственно, например, в n-м слое векторы X рисуются первыми в направлении от передней стенки чана к задней стенке. В (n + 1)-м слое векторы X рисуются вторыми (после векторов Y), причем в направлении от задней стенки чана к передней.

Рис. 12.34. Сравнение стилей решеток: а - обычная решетка; б - шахматная решетка (Источник: P. Jacob, Rapid Prototyping & Manufacturing; Fundamentals of Stereo Lithography, Society of Manufacturing Engineers (SME), McGraw-Hill, 1992)

В сокращенной решетке каждый вектор, X либо Y, проведен так, что он соединен только с одной из границ. Противоположный конец вектора решетки отстоит от соответствующей границы на небольшое расстояние, обычно порядка 0,25 мм (0,01 дюйма). Сокращенная решетка схематически изображена на рис. 12.35.

Рис. 12.35. Сокращенная решетка (Источник: P. Jacob, Rapid Prototyping & Manufacturing; Fundamentals of Stereo Lithography, Society of Manufacturing Engineers (SME),
McGraw-Hill, 1992)

Помимо STAR-WEAVE был также разработан метод QuickCast, позволяющий повысить точность изготовления деталей, используемых в качестве моделей при литье по выплавляемым моделям. Когда выяснилось, что тепловое расширение твердых моделей, выполненных методом стереолитографии, приводит к ломке даже самых прочных оболочек, стало очевидно, что модели необходимо изготавливать с поддерживающей структурой в виде внутренней решетки с большим шагом, которая фиксировала бы внешние границы детали. Варьируя шаблон решетки, с тем чтобы обеспечить возможность удаления излишков смолы, можно изготавливать квазиполые модели, позволяющие успешно отливать твердые металлические детали. Поскольку квазиполая структура шаблонов в методе QuickCast требует меньшего количества материала, связывающего соседние слои, внутренние напряжения в "зеленой детали" ослабляются. Искажения при окончательном отверждении также снижаются, поскольку меньшее количество материала подвергается усадке.
Чтобы создать квазиполую структуру по методу QuickCast, необходимо изготавливать объект с большим шагом решетки. Говоря математическим языком, объект должен быть односвязным. Если в произвольном месте топологически односвязного шаблона умышленно создать спускное отверстие, а еще в одном его месте создать относительно небольшое вентиляционное отверстие, устраняющее частичный вакуум, который в противном случае неминуемо бы образовался, незатвердевшая жидкая смола может вытечь из шаблона. Шаблоны решетки для метода QuickCast показаны на рис. 12.36.

Рис. 12.36. Шаблоны решетки QuickCast: а - в QuickCast версии 1.1 используется решетка из равносторонних треугольников и смещенных квадратов; б - в QuickCast версии 2.0 используется шестиугольная решетка для построения более слабых шаблонов, которые
легко выжигаются при литье по выплавляемым моделям

Цель технологии ACES состоит в том, чтобы с высокой точностью и четкостью изготавливать твердые детали из эпоксидной смолы, обладающие превосходной формоустойчивостью. Это достигается путем полной и однородной полимеризации в процессе изготовления детали, что практически устраняет искажения при окончательном отверждении и внутренние напряжения. Для минимизации биметаллического эффекта в ACES используется прогрессивное отверждение слоя смолы, при котором она почти полностью затвердевает, прежде чем свяжется со следующим слоем.

Компенсация ширины линии

Точно так же как центр режущего инструмента должен быть смещен на величину его радиуса от границы детали при обработке на станке с ЧПУ, лазер в стереолитографии должен быть смещен на половину ширины линии внутрь детали для получения правильного положения границ. Например, на рис. 12.37, а компенсация ширины линии отсутствует, а на рис. 12.37, б она имеется. Оптимальное значение поправки для компенсации ширины линии определяется обычно путем тестирования на пробной детали.

Рис. 12.37. Компенсация ширины линии

Компенсация усадки

Полимеризация ведет к увеличению плотности материала и тем самым к уменьшению объема детали. Поэтому необходимо несколько увеличить деталь, чтобы компенсировать усадку, происходящую после затвердевания. Степень увеличения указывается через коэффициент усадки, который задается пользователем. Определить коэффициент усадки крайне сложно, это требует тщательных вычислений и большого опыта.

12.4.5. Подготовка

На стадии подготовки указывается ряд параметров, характеризующих процесс изготовления детали, в частности глубина отверждения и параметры формирования слоя. К параметрам формирования слоя относятся количество возвратно-поступательных движений ракельного ножа на один слой, период этих движений, желаемая задержка по оси z, а также скорость и ускорение подъемного механизма платформы. Глубина отверждения будет рассмотрена в этом разделе, а параметры формирования слоя - в следующем.
Глубина отверждения - это глубина, на которую затвердевает жидкий полимер вследствие поглощения энергии (рис. 12.38). Глубина отверждения должна превышать толщину слоя, в противном случае соседние слои разойдутся. Поглощение энергии зависит от интенсивности и размеров лазерного луча, скорости сканирования и свойств используемого фотополимера. Соответственно, указание глубины отверждения определяет скорость сканирования лазерного луча при заданной мощности лазера.

Рис. 12.38. Глубина отверждения и толщина слоя

12.4.6. Изготовление детали

На этом этапе начинается полимеризация и создается физическая трехмерная деталь. Процесс состоит из следующих шагов.

  1. Контроль уровня. Обычные жидкие полимеры, используемые для стереолитографии, подвергаются при затвердевании объемной усадке в размере 5-7%. Из этого количества примерно 50-70% происходит в чане в результате полимеризации под действием лазерного луча; оставшаяся объемная усадка происходит на стадии окончательного отверждения. Это значит, что свободная поверхность полимера по ходу полимеризации опускается вниз, изменяя расстояние, на котором она находится от лазера. Соответственно, цель контроля уровня - обеспечить надлежащее расстояние по оси z от лазера до поверхности полимера для оптимальной фокусировки.
    По окончании прохождения лазером каждого слоя сенсор проверяет уровень жидкого полимера. Если этот уровень выходит за границы допуска, включается плунжер. Плунжер вытесняет жидкость, приводя z-координату поверхности полимера в границы заданного диапазона.
  2. Глубокое погружение. Платформа опускается так, чтобы поверхность предыдущего отвержденного слоя оказалась под поверхностью полимера. Тем самым гарантируется, что даже детали с плоскими участками большой площади, сравнимыми по размеру со всей платформой, будут надлежащим образом покрыты полимером. Этот шаг занимает около 11 секунд.
  3. Подъем. Платформа поднимается так, чтобы верхний слой детали оказался над поверхностью полимера и на толщину одного слоя ниже нижнего края ракельного ножа. Ракельный нож располагается над поверхностью полимера (рис. 12.39). Этот шаг занимает около 6 секунд.


Рис. 12.39. Элементы системы формирования слоя

  1. Разравнивание. Ракельный нож проходит от передней стенки чана к задней (или наоборот), удаляя излишек полимера с детали. На этом шаге действуют параметры, заданные на стадии подготовки (количество возвратно-поступательных движений на слой и период этих движений). Количество возвратно-поступательных движений может варьировать от 1 до 7, а период - от 3 до 30 секунд. По умолчанию период возвратно-поступательного движения равен 5 секундам, за исключением ситуаций, когда приходится иметь дело с запертыми объемами. Запертые объемы (trapped volumes) - это пространства, содержащие жидкость, не связанную с жидкостью в чане. Эти области могут потребовать специальной обработки в процессе формирования слоя и, соответственно, снижают скорость изготовления. В данном случае период возвратно-поступательного движения ракельного ножа может увеличиться до 15-25 секунд. Обратите внимание, что глубокое погружение, подъем и разравнивание требуются только для ножевой системы Doctor машин SLA-250/40 и SmartStart фирмы 3D Systems. Другие стереолитографические системы, например, SLA-2500 и SLA-3500, используют разработанный 3D Systems новый процесс под названием Zephyr, в котором глубокое погружение, подъем и разравнивание не нужны. Система Zephyr использует вакуумный нож, который захватывает полимер из чана и наносит его тонким слоем при прохождении над деталью. Zephyr сокращает время формирования слоя и ускоряет весь процесс изготовления детали. Кроме того, эта система частично решает проблемы, связанные с запертыми объемами. Процесс формирования слоя системой Zephyr иллюстрирует рис. 12.40.


Рис. 12.40. Система формирования слоя Zephyr фирмы 3D Systems
(с разрешения 3D Systems, Inc.)

  1. Установка в рабочее положение. Платформа опускается так, чтобы поверхность сформированного слоя полимера находилась на уровне свободной поверхности полимера в чане. Таким образом, поверхность предыдущего отвержденного слоя находится на одну толщину слоя ниже свободной поверхности. Этот шаг занимает около 2 секунд.
  2. Задержка по оси z. После того как платформа переместилась в рабочее положение, полимер на поверхности предыдущего слоя в принципе должен незаметно переходить в свободную поверхность полимера в чане. К сожалению, из-за эффектов конечного поверхностного натяжения на поверхности раздела твердой и жидкой фаз по периметру детали обычно возникает небольшой, но явственный изгиб. Его амплитуда будет уменьшаться с конечным временем релаксации. Назначение интервала задержки по оси z - дать поверхности жидкости достаточно времени для выравнивания этих неоднородностей. Этот интервал может варьировать от 15 до 30 секунд.
  3. Сканирование лазером. Когда произойдет выравнивание поверхности жидкого фотополимера, начинается лазерное сканирование каждого профиля. На первом шаге прочерчиваются границы детали в данном поперечном сечении. Исходя из ранее заданной глубины отверждения автоматически вычисляется скорость сканирования. Прочерчивание границ занимает всего несколько секунд. Когда границы готовы, начинается штриховка внутренних областей. Для большинства деталей львиная доля времени при лазерном сканировании тратится именно на штриховку. Для профилей, которые целиком состоят из "глядящих" вниз и вверх поверхностей, вместо штриховки используется режим сплошного заполнения (skin fills). В режиме сплошного заполнения прочерчивается ряд очень близко расположенных друг к другу параллельных векторов, так что затвердевшие линии в действительности соприкасаются друг с другом сторонами, образуя сплошную поверхность. Это предотвращает нежелательное вытекание полимера из внутренних областей детали. Однако вытекание полимера не является проблемой при использовании передовых стилей решеток, таких как WEAVE, STAR-WEAVE, QuickCast и ACES.

12.4.7. Завершение детали и слив излишков полимера

Описанный выше процесс повторяется для каждого из последовательно идущих слоев детали. Когда будет завершен последний (или верхний) слой, платформа поднимается так, чтобы и платформа, и деталь (детали) на ней располагались над поверхностью полимера в чане. Если деталь имеет запертые объемы, неотвержденный полимер сливается обратно в чан, для чего платформа наклоняется на опорных рычагах. Этот шаг считается завершенным, когда большая часть избыточного жидкого полимера стечет в бак.

12.4.8. Последующая обработка

Стадия последующей обработки состоит из трех шагов: удаления детали, окончательного отверждения и отделки.

Удаление детали

Деталь вместе с платформой наклоняется через край, чтобы слить излишек жидкого полимера обратно в чан. Обычно перфорированную платформу можно опрокинуть через край на опорных рычагах. Таким образом деталь можно ориентировать почти перпендикулярно ее исходному положению. После нескольких минут стекания платформа и прикрепленная к ней деталь извлекаются из стереолитографической машины. С детали и платформы вытирается избыток полимера, что продлевает срок службы чистящего растворителя, который будет использоваться на следующем шаге.
Далее деталь и платформа помещаются в очищающий аппарат. Популярным чистящим растворителем является трипропиленгликоль-монометиловый эфир (коммерчески известный как TPM), поскольку он не дает больших искажений формы, связанных с разбуханием, если деталь погружается в него на короткое время. Для сокращения времени очистки крайне важно движение растворителя вокруг детали. Для простых деталей с плоскими поверхностями в свежем растворителе TPM тщательная очистка занимает менее 5 минут при непрерывном движении. Если сложную часть просто погрузить в растворитель, не обеспечивая движения, очистка может занять много часов.
Деталь, тщательно очищенную от излишков полимера, можно извлекать из растворителя. Поскольку практически во всех случаях время погружения составляет менее 1 часа, масштабы возможного разбухания должны быть пренебрежимо малы. Затем платформа и деталь тщательно промываются в обычной проточной воде, чтобы удалить с них блестящую пленку TPM. Если эту пленку не удалить, она может замедлить окончательное отверждение поверхности на следующем шаге. После промывки платформа с деталью высушиваются в потоке сжатого воздуха низкого давления (140-210 КПа). Используя сжатый воздух, можно высушить даже самые геометрически сложные детали примерно за минуту.
Последнее, что необходимо сделать на этом шаге, - снять деталь с платформы. Оптимальный метод снятия детали зависит от характеристик используемого полимера. Обычно используются различного рода ножи с плоскими лезвиями.

Окончательное отверждение

На данный момент деталь еще только частично полимеризовалась. Как вы помните, лазер фотолитографической машины сканирует каждый слой только вдоль границ и по линиям решетки. Это означает, что внутренние области слоев могут затвердеть не до конца. В связи с этим производится окончательное отверждение детали, завершающее процесс полимеризации и увеличивающее итоговую механическую прочность прототипа.
Окончательное отверждение выполняется с помощью ультрафиолетового излучения в специальном аппарате. Чтобы достичь однородного окончательного отверждения полимера с минимальным повышением температуры и максимальной точностью при разумной длительности процесса, важно оптимизировать длины волн излучения отверждающего аппарата [75]. Окончательное отверждение приводит к повышению температуры внутри детали, поскольку фотополимеризация является экзотермической реакцией.
Высокая температура полимера может привести к значительным термическим напряжениям и соответствующим температурным деформациям. Эти деформации вызывают искажения формы детали на стадии окончательного отверждения, а в худшем случае и поломку детали. Таким образом, желательно найти источник излучения со значительно меньшей спектральной плотностью потока, чтобы обеспечить более медленную полимеризацию, а следовательно, более низкие температуры и меньшие термические напряжения и деформации.
Как долго должно продолжаться окончательное отверждение, зависит от особенностей геометрии детали. Для большинства деталей окончательное отверждение может занять час или два, а для деталей очень большого размера может потребоваться и десять часов. Вообще говоря, время окончательного отверждения почти всегда меньше времени изготовления детали.

Доводка детали

После того как деталь окончательно затвердеет, выполняют ее отделку. Если деталь должна служить лишь в качестве концептуальной модели, достаточно будет просто удалить подпорки. В случае хрупких полимеров для отламывания подпорок между деталью и подпорками вставляют тупой нож или шпатель.
Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить хрупкие части детали. В случае вязких полимеров можно не отламывать подпорки, а отрезать их острым ножом. В очень тонких местах могут помочь острые ножницы. Подпорки из прочных полимеров можно также удалять на станках. После удаления подпорок деталь подвергается легкой шлифовке, чтобы устранить оставшиеся от них следы.
Если деталь предполагается использовать иначе, например в качестве шаблона или модели для литья по выплавляемым моделям, применяется более тщательная отделка - ручная шлифовка, струйная обработка стеклянными шариками или некоторое сочетание этих двух методов.

12.5. Программные технологии для быстрого прототипирования

Подобно тому как компьютер не может функционировать без операционной системы, машине для быстрого прототипирования для работы также необходимо программное обеспечение. Это программное обеспечение состоит из двух компонентов: программы подготовки детали и программы управления процессом, или программы изготовления. Программы подготовки детали выполняют такие задачи, как проверка CAD-модели, компенсация и исправление ошибок STL-файла, дополнительное STL-моделирование, размещение и ориентирование модели, генерация поддерживающих структур, определение параметров изготовления детали и формирования слоя, получение поперечных сечений и объединение компонентов в соответствующий рабочий файл. Программы управления процессом используют рабочий файл, созданный на стадии подготовки, для управления процессом изготовления детали в машине для быстрого прототипирования. Эта процедура схематически изображена на рис. 12.41. В следующем разделе мы обсудим задачи, выполняемые программами подготовки детали.

Рис. 12.41. Программное обеспечение для БПИ

12.5.1. Задачи программ подготовки детали

Проверка STL-файла и исправление ошибок

Как сказано выше, STL-файл, созданный программой твердотельного моделирования, может содержать в себе ошибки, даже если исходная трехмерная модель не имела дефектов. В STL-файле могут возникать следующие виды ошибок [96].

  • Зазоры. Предполагается, что ячейки STL-файла должны образовывать набор замкнутых оболочек, заключающих в себе объект. Но если какая-либо из ячеек отсутствует, оболочка получает "прокол", в результате чего образуется зазор (рис. 12.42). Как следствие, отсутствует четкое различие между внутренней и внешней областью. Кроме того, при расщеплении STL-файла, имеющего зазоры, в слоях могут создаваться незамкнутые контуры, которые порождают случайные векторы при изготовлении детали.


Рис. 12.42. Зазоры в STL-файле

  • Несогласованные нормали. Нормали некоторых ячеек могут быть обращены (рис. 12.43), в результате чего они окажутся несогласованными с направлением наружу, которое имела исходная поверхность.


Рис. 12.43. Обращенные нормали в ячейке

  • Неправильные нормали. Нормали ячеек, хранимые в STL-файле, могут не совпадать с нормалями, рассчитанными по вершинам соответствующих ячеек.
  • Неправильные пересечения. Ячейки могут пересекаться неправильно, то есть в каких-либо местах, кроме своих сторон; могут быть и перекрывающиеся ячейки (рис. 12.44).


Рис. 12.44. Пересечение двух треугольников не по сторонам

  • Внутренние стенки и структуры. Неверные геометрические алгоритмы, закрывая зазоры в STL, могут по ошибке создавать внутренние стенки и структуры, что может привести к неоднородному затвердеванию материала. Ошибку с появлением внутренней стенки иллюстрирует рис. 12.45.


Рис. 12.45. Ошибка STL-модели с появлением внутренней стенки

  • Несогласованности. STL-файл может иметь несогласованные значения допусков, если он создан путем объединения двух различных файлов. Кроме того, могут существовать зазоры на пересечении двух объединенных STL-моделей.
  • Вырождение ячеек. Ячейки могут быть вырожденными. Вырожденные ячейки - это такие ячейки, которые не занимают конечной площади и, соответственно, не имеют нормали. Есть два типа вырождения ячеек: топологическое и геометрическое. Топологическое вырождение происходит, когда две или более вершины ячейки совпадают. Оно не влияет на геометрию или связность остальных ячеек, поэтому топологически вырожденную ячейку можно просто отбросить. Геометрическое вырождение происходит, когда все вершины ячейки различны, а все стороны коллинеарны. Такая геометрически вырожденная ячейка не имеет нормали, однако содержит неявную топологическую информацию о том, как связаны соседние ячейки, то есть как сопрягаются две поверхности. Оба типа вырожденных ячеек демонстрирует рис. 12.46.


Рис. 12.46. Вырождение ячеек в STL-файле

Если в STL-файле обнаружены ошибки, то прежде чем производить расщепление, необходимо предпринять некоторые дополнительные действия в отношении файла. Исправление ошибочного STL-файла требует больших вычислительных ресурсов, что является серьезным недостатком формата STL. Существует ряд коммерческих программных пакетов для проверки и исправления STL-файлов. К ним относятся 3D Verify от 3D Systems и MagicsRP от Materialise.

Определение направления наращивания

Поскольку все объекты изготавливаются послойно, решающим фактором является выбор направления наращивания слоев. Он влияет на многие ключевые аспекты процесса быстрого прототипирования, включая качество отделки поверхности, длительность изготовления, требуемое количество поддерживающих структур и запертые объемы. В настоящее время, однако, выбор направления наращивания осуществляется методом проб и ошибок, а может и вовсе не рассматриваться. Четыре различных оптимальных направления наращивания, соответствующих каждому из четырех ключевых аспектов процесса, показаны на рис. 12.47.

Рис. 12.47. Оптимальные направления наращивания, соответствующие
четырем ключевым аспектам процесса БПИ

Оценка запертых объемов

Как было сказано выше, запертый объем - это количество жидкого полимера в стереолитографической машине, заключенное в обрабатываемой или отверждаемой области. Таким образом, запертые объемы могут существовать в вогнутых областях, действующих как контейнеры. Жидкий полимер заперт, если его невозможно слить из контейнера. Соответственно, в зависимости от ориентации одна и та же вогнутая область может запереть необработанный полимер, а может и не запереть его. Если образуется запертый объем, иногда бывает необходимо изготовить деталь со спускным отверстием, а после затвердевания заполнить это отверстие. В таком процессе, как ламинирование, запертые объемы не допускаются, поскольку удаление лишнего материала, находящегося в запертом объеме, практически невозможно. Автоматическое обнаружение запертого объема программой иллюстрирует рис. 12.48 [99].

Рис. 12.48. Автоматическое обнаружение запертого объемаРазмещение или упаковка деталей

Поскольку методология процесса быстрого прототипирования отличается от методологии традиционного производственного процесса, для обеспечения эффективного использования данного метода необходимо внести некоторые коррективы. Прежде всего, время, требуемое для изготовления множества прототипов деталей с помощью системы быстрого прототипирования, можно коренным образом сократить, изготавливая несколько деталей одновременно. В быстром прототипировании время, затраченное на изготовление прототипа, зависит не от количества деталей, а от общего числа слоев. Тесно расположив несколько деталей в подходящем объеме, можно изготовить их одновременно. Поэтому многие компании и другие пользователи находят преимущества в одновременном изготовлении нескольких деталей. В настоящий момент пользователь вручную выбирает произвольные STL-файлы и пытается добиться их оптимального расположения в рабочем пространстве методом проб и ошибок, после чего запускает процесс изготовления. Однако подбор расположения в интерактивном режиме - утомительный процесс, не гарантирующий достижения оптимального размещения всех деталей, и поэтому в общем случае он недостаточно хорош. Поскольку задача трехмерной упаковки является недетерминированной задачей, решаемой за полиномиальное время, оператор системы быстрого прототипирования не может ее решить. Поэтому требуется эффективный алгоритм размещения множества деталей в рабочем объеме, и в некоторых программных продуктах, таких как MagicsRP от Materialise, предусмотрена функция полуавтоматической упаковки [104]. Пример размещения нескольких деталей демонстрирует рис. 12.49 [99].

Рис. 12.49. Пример оптимального размещения нескольких деталей

Создание поддерживающих структур

Очень важно эффективно сформировать поддерживающую структуру, отражающую геометрию детали. Например, избыточность поддерживающих структур приводит к увеличению времени проектирования и изготовления, а недостаточность - к получению негодных деталей. Качество конструкции поддерживающей структуры целиком и полностью зависит от возможностей программного обеспечения для быстрого прототипирования. Обычно для автоматической генерации поддерживающей структуры используются программы MagicsSG и Bridgeworks. Примеры поддерживающих структур, которые были созданы программой для быстрого прототипирования, иллюстрирует рис. 12.50 [99].

Рис. 12.50. Примеры поддерживающих структур, созданных программами быстрого прототипирования

Вопросы и задачи

  1. В чем состоит основное различие между процессами стереолитографии и отверждения на твердом основании?
  2. Перечислите производственные процессы, с помощью которых можно изготавливать прототипы из оригинального материала, предварительно создав модель методом быстрого прототипирования.
  3. Каким требованиям должен удовлетворять материал прототипа, используемого в качестве модели при литье по выплавляемым моделям?
  4. Перечислите факторы, которые необходимо принимать во внимание при определении оптимального направления наращивания детали. Какой из факторов будет наиболее важен для процесса ламинирования?
  5. Объясните, для чего в процессе стереолитографии к нижней поверхности детали присоединяется поддерживающая структура.
  6. Опишите ситуации, в которых в процессе стереолитографии пришлось бы использовать другие поддерживающие структуры, помимо пьедестала.
  7. Чем определяются нижний и верхний пределы толщины слоя в процессе стереолитографии?
  8. С помощью имеющейся в вашем распоряжении системы твердотельного моделирования создайте STL-файл для изображенного здесь объекта. По STL-файлу попытайтесь изготовить прототип с помощью любой доступной вам машины для быстрого прототипирования. Используйте два различных направления наращивания и сравните их влияние на точность и длительность изготовления детали.
закрыть