Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования. Современные методы быстрого прототипирования

Аннотация

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

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

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

Оглавление

Введение

. Принцип работы систем быстрого прототипирования

. Существующие технологии быстрого прототипирования

.1 RP-системы

Стереолитография

Масочная стереолитография

Селективное лазерное спекание

Изготовление моделей из ламинатов

.2 Многоструйное моделирование с помощью 3D-принтеров

Моделирование диффузионным напылением

Многофазовое струйное отверждение

. Применение трехмерных моделей для быстрого прототипирования

. Немного о перспективах

Заключение

Введение

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

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

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

Что же представляют собой системы быстрого прототипирования сегодня?

прототипирование принтер многоструйный лазерный

1. Принцип работы систем быстрого прототипирования

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1 Процесс получения CAD-модели по имеющемуся образцу

2. Существующие технологии быстрого прототипирования

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

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

Масочная стереолитография

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

Селективное лазерное спекание

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

 <#"530501.files/image003.gif">

Рис. 3 Проверка качества сборки изделия

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

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

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

4. Немного о перспективах

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

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

Заключение

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

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

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