Аддитивные технологии и быстрое прототипирование

Задача быстрого прототипирования, т. е. получения прототипа изделия в максимально короткие сроки, остается одной из основных задач практического применения AM-технологий. В данном случае понятие «прототип» довольно широкое. На этапе выполнения научноисследовательской работы необходимо быстро получить прообраз изделия. На этом этапе важны отработка геометрии детали, оценка эргономических качеств, проверка собираемости и правильность компоновочных решений. Поэтому «быстрое» изготовление детали по «обходной технологии» позволяет существенно сократить сроки разработки изделия. Под прототипом понимают и модель, иногда масштабную, предназначенную для каких-либо испытаний (например, гидроили аэродинамических) или предварительной проверки функциональности (например, корпусные детали приборов, радиостанций, медицинской или бытовой техники). Большое количество прототипов строится, как поисковые дизайнерские модели с различными нюансами в конфигурации, цветовой гамме раскраски и т. д.

Обычно процесс создания новой продукции от замысла до точки SOP (Start of Production) имеет итерационный характер и предполагает создание прототипов или опытных образцов нескольких серий «А», «Б», «В» и более, в зависимости от сложности объекта разработки. На завершающей стадии (предсерийные) образцы изделия, как правило, изготавливаются с использованием специальной оснастки, разработанной для условий промышленного производства. Однако для ранних стадий разработки серий «А», «Б», когда образ изделия не определен окончательно, использование дорогостоящей оснастки чрезвычайно затратно. Как правило, в процессе испытаний и доводки конфигурация изделия претерпевает значительные изменения, и оснастка, изготовленная для производства прототипов, оказывается непригодной для серийного производства. Одно из важнейших преимуществ использования AM-технологий состоит в том, что они позволяют получать функциональные прототипы (опытные образцы), без применения дорогостоящей технологической оснастки.

Например, блок цилиндров ДВС, вполне пригодный для проведения полноценных моторных испытаний, может быть выполнен методом быстрого прототипирования, без изготовления деревянных или металлических моделей и форм. Полноценная литейная оснастка изготавливается уже после завершения испытаний, корректировки конструкторской документации и тщательной технологической подготовки. И если вопрос о применении аддитивных технологий в промышленном производстве остается дискуссионным, то в отношении НИР и ОКР они уже доказали свою очень высокую эффективность.

AM-технологии в качестве технологий «быстрого прототипирования» применяют главным образом на начальной стадии проектов – для воспроизведения геометрического образа изделия. На этой стадии обычно пренебрегают фактурой поверхности, прочностными и другими свойствами материала, выбирая из доступных модельных материалов наиболее подходящий для целей визуализации. Иногда свойства модельного позволяют провести и функциональные испытания прототипа. По мере расширения ассортимента модельных материалов увеличивается и сектор функционального моделирования (см. выше рисунок 2): в 2004 г. его объем составлял 16,4 %, в 2013 – 28,1%.

Для целей прототипирования чаще всего применяют недорогие 3D-принтеры. Разнообразие технологий позволяет выбрать наиболее эффективное решение с точки зрения баланса «цена – качество», чему способствовало существенное снижение цен на принтеры среднего уровня и расходные материалы при одновременном повышении надежности машин и качества «выращенных» изделий.

Среди фирм-производителей наиболее популярных принтеров для прототипирования следует назвать такие фирмы, как:

• Stratasys – принтеры серий Mojo 3D, Print SE, Dimension, в которых применена технология FDM, а также принтеры, работающие по технологии Poly-Jet или MJM – Objet24, Objet30, Objet Eden, Objet Connex, Objet260;
• 3D Systems – принтеры ProJet^® 360,ProJet^® 4500, ProJet^® 460Plus, ProJet^® 660Pro, ProJet^® 860Pro, в которых применяется технология Binder Jetting с нанесением отверждающего состава на порошковый модельный материал;
• Envisiontec, принтеры серии Ultra и др.

Данные принтеры среднего уровня, стоимостью в пределах 20 -100 тыс. евро, и находят применение в образовании, в работе архитектурных бюро и модельных мастерских, в дентальной медицине, при выполнении многих задач НИОКР, в опытном производстве в целом.

Для изготовления крупногабаритных моделей и моделей с повышенными требованиями к качеству поверхности и прочности используют более дорогие AM-технологии (SLA, SLS) и профессиональные машины стоимостью €150-900 тыс. и более.

Как и любая AM-технология, предполагающая послойный принцип построения детали, технологии FDM, SLA, SLS или Poly-Jet обеспечивают определенный уровень качества поверхности модели, основным критерием обычно является чистота поверхности. Машина строит модель послойно согласно созданным перед началом построения «сечениям». После завершения построения модель имеет ступенчатую поверхность, а высота ступеньки соответствует шагу построения. Например, при построении модели шара: на полюсе он будет иметь плоскую площадку, шероховатость на участке, близком к полюсу будет максимальной, но, чем ближе к экватору, тем лучше будет качество поверхности, рисунок 1.

Качество поверхности прототипа часто зависит от ориентации модели на рабочей платформе при построении. При построении плоской детали, расположив её горизонтально, можно получить низкую шероховатость горизонтальной поверхности; для получения лучшего качества на боковых поверхностях модель необходимо сориентировать под углом к плоскости платформы.

Рисунок 1. Послойный принцип построения модели

Важным параметром, определяющим качество поверхности, является качество исходной трёхмерной CAD-модели. Виртуальная модель представляет собой 3D-поверхность в виде замкнутой сетки из треугольников. Шероховатость поверхности напрямую зависит от качества создания сетки, рисунок 2. Так, при использовании трёхмерной модели низкого качества макрошероховатость, заложенная в файле, может проявиться при построении физической модели и дать ложное представление о качестве принтера или эффективности выбранной технологии, рисунок 3.

Рисунок 2. Модель шара: слева – низкого качества, справа – высокого

Рисунок 3. Низкое качество CAD-модели обусловливает низкое качество поверхности отливки

На сайтах компаний-производителей AM-машин можно обнаружить большое количество разнообразных примеров выполнения конкретных проектов. Обычно там «вывешивают» наиболее удачные и привлекательные примеры. Но если более внимательно присмотреться к этим иллюстрациям, то на поверхности модели можно обнаружить своеобразную текстуру, по которой можно составить себе представление об ожидаемой чистоте поверхности модели, рисунки 4, 5. Во многих случаях большая или меньшая шероховатость не имеет принципиального значения для потребителя. При необходимости поверхность модели можно улучшить посредством ручной обработки (шлифовки, полировки, окраски, лакировки).

Но в ряде случаев это технически затруднительно или может привести к потере точности (геометрии) модели. Как правило, чем меньше шероховатость поверхности модели, тем выше цена AM-машины.

Технологии SLS, DLP, Poly-Jet и др., использующие жидкий фотополимер в качестве модельного материала, предполагают наличие так называемых поддерживающих структур – поддержек, на которых закрепляется тело модели при построении (рисунок 6). Эти поддержки строятся автоматически по специальной программе и представляют собой тонкие столбики. В зависимости от технологии они строятся из специального легкорастворимого в воде материала (по технологии Poly-Jet компании Objet) или из основного модельного материала (классическая лазерная стереолитография – SLA). После построения поддержки удаляются механически (SLA) или смываются водой (технология Poly-Jet), поэтому одна из поверхностей модели более шероховатая, чем остальные. Качество построенной модели зависит также и от квалификации персонала: насколько правильно была сориентирована модель на рабочей платформе перед построением, насколько верно был выбран режим генерации поддерживающих структур, насколько качественно был сделан исходный 3D-файл.

Рисунок 4. Прототипы, созданные на принтерах Eden 250 и ProJet^® 660 а – Прототип пульта (Objet Eden 250) б – Модель сборочного узла (ProJet^® 660)

Рисунок 5. Фрагмент модели газотурбинного двигателя (технология FDM)

Рисунок 6. SLA-модель с поддерживающими структурами

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты сравнительных измерений поверхностей одной и той же детали, построенной на разных машинах. Для большей достоверности измерения проводились на горизонтальных (тип А) и вертикальных (тип В) поверхностях. Измерения только одного вида поверхности может привести к неверному представлению о возможностях машины, поскольку, например, машина, работающая с жидким фотополимером, может построить очень гладкую,

почти зеркальную горизонтальную плоскость, но на вертикальной стенке может быть заметная шероховатость.

Таблица 1. Сравнение шероховатостей моделей, полученных различными AM-технологиями

Из приведенных данных, очевидно, что и внутри отдельной технологии могут быть существенные нюансы в оценке шероховатости, связанные с типом модельного материала (его качеством и, соответственно, ценой!). Видно также, что технологии, базирующиеся на использовании жидких фотополимеров (SLA, DLP, Poly-Jet), позволяют получить более гладкие поверхности по сравнению с SLSили FDM-технологиями.

То же касается и точности: чем выше точность построения, тем дороже 3D-принтер. По этому параметру AM-машины имеют значительные отличия. При рассмотрении технических характеристик принтеров, безусловно, следует обращать внимание на параметр, называемый layers thickness – толщина слоя построения, или шаг построения.

На точность влияет ряд параметров, и шаг построения является не единственным и, зачастую, не главным. Заявляемый шаг построения, например, 0,08 мм для SLS-машины 3D Systems вовсе не означает, что модель размерами 250х250х250 мм будет построена с отклонениями по осям измерений ±0,08 мм. Скорее всего, отклонения будут находиться в пределах нескольких десятых долей миллиметра (±0,3…0,8 мм). На конечный результат будет сильно влиять тип материала (полиамид, полистирол) и в ещё большей степени – конфигурация модели, а также квалификация персонала: правильно ли выбраны режимы спекания, ориентация моделей в объеме построения, расположение моделей относительно друг друга и т. д. При этом нужно помнить, что SLS – это тепловой процесс, в ходе которого в рабочую камеру подводится значительное количество тепла, температура массива в камере достигает 150°С. Естественно, что строящаяся модель подвергается существенным тепловым нагрузкам и может деформироваться.

Данный эффект может быть усилен или ослаблен действиями персонала как на стадии подготовки задания на построение, так и в процессе работы машины и извлечения моделей из камеры. Неверные действия могут привести к короблению модели, и формальная точность, выраженная понятием layers thickness, не будет иметь никакого значения: отклонения от исходной геометрии могут составлять миллиметры.

Другие технологии также имеют свои особенности, например, разную реальную точность построения по осям: в плоскости X-Y одно значение, в направлении Z –другое. Поэтому при выборе технологии и 3D-принтера не лишним будет построить тестовые модели на разных AM-машинах, провести измерения и оценить, соответствуют ли результаты ожиданиям заказчика и требованиям к модели для конкретных задач. Тем не менее, общепринятым можно считать мнение, что наилучшая точность построения достигается в SLA-машинах. Одной из причин этого является то, что в SLA-технологии процесс построения происходит при комнатной температуре в отсутствии термических нагрузок. Большое значение имеет также качество модельных материалов. Современные SLA-материалы, во-первых, малоусадочные и, во-вторых, имеют определенную вязкость, позволяющую получать стабильно в процессе построения тонкие слои до 0,025 мм. Реальная точность построения SLA-машин составляет 0,025…0,05 мм на дюйм линейного размера. Это значит, что модель с характерным размером 250 мм будет, иметь отклонения в пределах ±0,25…0,5 мм. Однако эти отклонения могут быть существенно уменьшены за счет введения соответствующих корректировочных коэффициентов на стадии подготовки задания на построение, и следующая модель может быть построена значительно точней, правда, в этом случае первая модель будет в качестве тестовой.

Ещё одним направлением «быстрого прототипирования» является изготовление «быстрой оснастки» – «rapid tooling». В некоторых случаях «быструю оснастку» применяют на предсерийной стадии проекта для изготовления деталей не из модельных материалов, а из промышленных пластиков. Либо для изготовления заведомо штучной или малосерийной продукции – 10-100 шт. Пример такой оснастки приведен на рисунке 7. Литейную форму (матрицу и пуансон) «выращивают» на 3D-принтере, доводят чистоту поверхности формы вручную, устанавливают на термопласт-автомат и получают конечное изделие.

Рисунок 7. Оснастка (вставки) для получения отливок из полиамида на термопласт-автомате (изготовлено на принтере Objet500 Connex)

AM-технологии применяют и для прототипирования некоторых функциональных характеристик изделия – оптических, прочностных, гидро- и аэродинамических. Например, стереолитографические модели широко используются для продувки макетов летательных аппаратов или полноразмерных моделей и их отдельных элементов (рисунок 8).

Рисунок 8. Испытания элементов самолета в аэродинамической трубе

Компания LUXeXceL (Нидерланды) разработала технологию и оборудование для моделирования оптических изделий (линз, призм и т. д.).

Сущность технологии, называемой Printoptical, заключается в следующем (рисунок 9): на глянцевую поликарбонатную подложку (1) с помощью струйной головки (3) послойно наносится фотополимер (2), который отверждается УФ-лампой (4). Размер капель фотополимерных «чернил» варьируется в зависимости от дизайна модели. Разрешение печати высокое, практически такое же, как и в обычных 2D-струйных принтерах. Ключевым элементом технологии является печатающая головка с пьезоэлектрическим управлением, обеспечивающая разрешение на уровне 1440 dpi и выше. Материал наносится в виде мелких сферических капель, но отверждается УФ-лампой с некоторой экспозицией, позволяя капле растечься за счет смачивания, в результате этого поверхность модели получается гладкой и не требует пост-обработки.

Рис. 9. Технология Printoptical: 1 – глянцевая поликарбонатная подложка; 2- фотополимер; 3 – струйная головка; 4 – УФ-лампа; 5, 6 – отверждённые слои

В ряде случаев прототип может быть полностью функциональным для проведения вариантных исследований (рисунки 10, 11). Например, изготовление опытного образца алюминиевой впускной трубы ДВС потребовало бы значительных финансовых и временных затрат (разработка и изготовление литейной оснастки, механообработка). АМ-технологии позволили сократить время и провести моторные испытания с использованием полиамидного прототипа (см. рисунок 11), оснащенного необходимыми устройствами прямо на моторном стенде. Появление новых высокопрочных, термостойких модельных материалов расширяет возможности функционального прототипирования.

(Экспонат выствки Euromold 2014, 3D Systems)

Рисунок 10. Полноразмерный макет приборной панели автомобиля

(Предоставлено ФГУП «НАМИ»)

Рисунок 11. Прототип впускной трубы ДВС, оснащенный элементами системы топливоподачи и подготовленный к проведению стендовых испытаний

Архитектурное моделирование (макетирование) было и остается популярным направлением быстрого прототипирования, рисунок. 12, которое применяется и в работе с индивидуальными заказчиками на стадии эскизного проекта, и крупными компаниями для согласования проектов застройки городских комплексов.

(Экспонат выставки Euromold 2014)

Рисунок 12. Архитектурное моделирование: а – макет Химического корпуса СПбГПУ; б – макет детской площадки

Масштабное моделирование машин и механизмов стало неотъемлемой частью экспозиций современных индустриальных выставок. 3Dпринтеры с «цветной печатью» позволяют создавать копии сложных объектов с высокой степенью детализации, рисунок 13.

Важной вехой в развитии АМ-технологий стало появление технологии AKF – ARBURG Kunststoff-Freeformen (компания ARBURG), рисунок 14. Известно, что принципиальным недостатком технологий быстрого прототипирования является то, что 3D-принтеры в силу специфики рабочего процесса строят изделия из модельных материалов, далеко не всегда соответствующих функциональным требованиям. Нитевые, порошковые или светоотверждаемые полимеры позволяют достаточно точно воспроизвести геометрию детали, но их прочностные свойства: термостойкость, стойкость к воздействию влаги, агрессивных сред, ультрафиолетового излучения и т. д. оказываются не достаточными, чтобы использовать построенные изделия в качестве конечного продукта – детали механизма или машины.

(Экспонаты выставки Euromold 2014)

Рисунок 13. Копии двигателей: а – действующая модель авиационного звездообразного двигателя; б – макет авиационного газотурбинного двигателя.

Технология AKF выводит аддитивные технологии на качественно новый уровень. Она позволяет использовать промышленные полимеры – ABS, PC (поликарбонат), PA (полиамид), TPE (термоэластопласты), причем в привычном для промышленного литья виде – в стандартных гранулах. Теперь нет необходимости готовить нитевидный, как для FDMма- шин, или порошковый, как для SLS-машин, дорогостоящий модельный материал. В конструкции AM-машины Freeformer много общего от обычных серийных термопласт-автоматов. В бункер (рисунок 14 б) загружают фидсток в виде гранул, шнековый механизм подает материал к экструдеру. По пути к экструдеру материал нагревают до 205°С. Экструзионная головка содержит форсунку с дозирующим механизмом и мембраной с пьезоэлектрическим приводом. Наконечник форсунки – сменный, могут быть установлены наконечники с диаметром выходного отверстия 100, 150, 200, 250, 300 мкм. Таким образом, в зависимости от требований к детали можно регулировать скорость построения (производительность) и шероховатость поверхности (меньше скорость – меньше шероховатость и наоборот).

(Экспонат выставки Euromold 2014)

а                                                                                              б

(Источник: www.arburg.com)

в                                                                                                                               г

Рисунок 14. АМ-машина Freeformer (ARBURG): а – внешний вид машины; б, в, г – схема рабочего процесса; размеры зоны построения 230x130x250мм; минимальный шаг построения 0,15 мм

Машина может быть оснащена одной, двумя и более экструзионными головками, что позволяет либо увеличить скорость построения деталей, либо использовать при построении различные (по цвету или по свойствам) материалы.