Машинные дизайн-технологии быстрого прототипирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 65.011.56:7.042 ББК 30.18

© И.Б. Челпанов

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург

E-mail: [email protected]

© С. О. Никифоров, Т.В. Кочева

Бурятский научный центр СО РАН, Улан-Удэ E-mail: tkoch @pres. bscnet. ru

© Б. С. Никифоров

Бурятский государственный университет, Улан-Удэ E-mail: [email protected]

Машинные дизайн-технологии быстрого прототипирования

Статья посвящена особенностям реализации машинных дизайн-технологий компьютерного проектирования и моделирования изделий, технологий их создания, включая технологии быстрого прототипирования.

Ключевые слова: прототипирование, дизайн, компьютерные и мехатронные технологии

© I.B. Chelpanov

St.-Petersburg State Polytecnical University, St.-Petersburg E-mail: [email protected]

S.O. Nikiforov, T.V. Kocheva

Buryat Scientific Centre SB RAS, Ulan-Ude E-mail: tkoch @pres. bscnet. ru

B.S. Nikiforov

Buryat State University, Ulan-Ude E-mail: NBS [email protected]

Machine design-technologies of rapid prototyping

The article is devoted to the specific machine technologies of rapid prototyping.

Key words: design, prototyping, computer and mechatronic technologies

Введение

В современных рыночных условиях при создании и успешной реализации изделий существенна роль решения вопросов их качественной дизайнерской проработки, соответствующей рекламы и быстрого реагирования на потребности рынка. На уровне бытовых и промышленных изделий продукция любого рода должна создаваться инженером-конструктором наряду с дизайнером исходя из существующих реалий с учетом человеческого фактора, включая учет требований эргономики и эстетики, знаний и навыков художника, психолога и т.д. При этом в реальном мире технологии и бизнеса присутствует постоянная потребность в эффективной коммуникации между разработчиками и неспециалистами - заказчиками или потенциальными клиентами.

Дать полноценное представление о создаваемом изделии неспециалисту иногда бывает существенно сложнее, чем разработать само изделие, т.е. налицо имеется потребность в альтернативном, более наглядном способе отображения изделия, - не в плоскостном, а в трехмерном представлении. Путь от идеи до готового изделия должен быть максимально коротким, поскольку оперативно реагировать на рыночный спрос выпуском качественных

изделий значит обеспечить производителю конкурентные преимущества. При этом в процессе разработки новой продукции всегда возникает необходимость в опытных образцах -моделях и прототипах отдельных деталей и узлов.

Термин «прототип» в технике означает принятую работающую модель или опытный образец и может относиться как к макету - материализованному образу объекта, так и к функционально работоспособному изделию, способному выполнять требуемые функции. Иногда за прототип принимают существующее изделие (часто другого производителя), наиболее близкое к замыслу нового изделия и принимаемое за образец, которое является исходным пунктом для собственной разработки.

«Прототип» определяется и как «приближенное представление одного или нескольких аспектов продукта, представляющих интерес». В соответствии с этим определением любой объект, отражающий хотя бы одну из характеристик продукта, которая может представлять интерес для разработчиков, может рассматриваться как прототип. Наше определение прототипа отличается от привычного тем, что охватывает такие разнообразные формы прототипов, как эскизы концепций, математические модели и полнофункциональные опытные образцы продукта. Прототипирование - это процесс создания такого приближенного продукта [1].

Понятие быстрого прототипирования

Примерно с начала 1980-х гг. начали интенсивно развиваться технологии формирования трёхмерных объектов не путём удаления материала (точение, фрезерование, электроэрози-онная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путём постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства.

Специфика технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, или RP) заключается в том, что формирование, синтез объекта-прототипа (физической модели, макета, натурного образца) осуществляется путем последовательного «наращивания» материала слой за слоем, где все слои плоские, одной толщины. Подобные технологии позволяют создавать сложные по внешним формам объекты с определенной внутренней структурой, иногда даже с подвижными частями.

Термин «быстрый» практически означает, что изготовление трехмерной модели производится по программе, автоматически создаваемой CAD (Computer Aided Design), при использовании единого технологического процесса, одним и тем же рабочим органом, без специальных приспособлений при неизменной рабочей установке.

В качестве модельных средств используются жидкости, нитевидные полимеры, литейные воски, листовые материалы (металлопрокат, бумага), ПВХ-пленка, порошковые гипсовые композиции, пакетированный литейный песок, металлические порошки и ряд других.

Многие аналитики отмечают возрастающую роль технологий быстрого прототипирования не только в макетировании, но и в изготовлении конечной продукции. При этом, однако, существенны ограничения по свойствам материалов, в первую очередь по прочности. Быстрое прототипирование может вписываться в другие технологические цепочки, а именно, литья по обычным технологиям, в первую очередь по выжигаемым моделям, гальванопластики, электроэрозионной обработки и т.д.

Понятие «аддитивных» технологий

AF (Additive Fabrication) принятая в англоязычной литературе аббревиатура словосочетания, означающего изготовление изделия путем «добавления» материала в отличие от традиционных технологий механообработки, в основе которых лежит принцип «вычитания» лишнего материала из заготовки. Аддитивные технологии предлагают формирование детали путем последовательного «наращивания» материала. В качестве модельных материалов используются жидкие, порошковые, нитевидные полимеры; литейные воски; листовые материалы - металлопрокат, бумага, ПВХ-пленка; гипсовые композиции; плакированный литейный песок и ряд других.

На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формиро-

вания трехмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии известны под разными терминами, например, SSF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Aided Prototyping), однако наиболее распространен термин стереография (STL-stereo lithography), SLA (Steriolithography Apparatus), или просто SL-способ получения моделей посредством отверждения тонкого слоя жидкого полимера лазерным лучом (3D-Systems, США). Технология подразумевает использование в качестве модельного материала специального фотополимера - светочувствительной смолы. В данном процессе основой является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность ёмкости со светочувствительной смолой. Фотополимер отвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый слой смолы наносится на затвердевший, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения модели. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество формируемых поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,025-0,15 мм. Эта технология охватывает практически все отрасли - от медицины до тяжелого машиностроения, где она используется для изготовления формы требуемых функциональных свойств.

Рабочая модель формируется с помощью средств быстрого прототипирования почти так же легко и быстро, как чертеж с принтера или плоттера. В машиностроении к аддитивным технологиям можно отнести нанесение любых покрытий, гальванопластику, формирование оболочек наматыванием на основу ленточных материалов, заваривание швов, наращивание материала. В сущности, любую сборку тоже можно отнести к аддитивным операциям. Из технологий последней четверти XX века, основанных на добавлении материала, нужно указать на изготовление электронных микросхем напылением в вакууме. Поэтому на новизну принципа в наше время претендовать нельзя, можно говорить только о применении этого принципа в определенных технологиях.

Алгоритм машинной дизайн-технологии прототипирования

Технологии быстрого получения прототипов изделий при создании трехмерных моделей подразумевают компьютерное дизайнерское проектирование, где инженерам и дизайнерам предоставлена свобода творчества.

Модели-прототипы требуются для:

- эффективной сегментации рынка сбыта путем демонстрации заказчикам и потребителям образцов разрабатываемого изделия;

- использования в рекламных компаниях;

- более качественной отработки дизайнерами эстетически совершенных внешних форм с учетом функциональных требований, требований эргономики и т.д.;

- внесения необходимых коррективов конструкторами еще до запуска изделий в производство;

- изготовления традиционной технологической оснастки (в частности, литьевой), а также в технологиях быстрого изготовления опытных партий, например, при использовании силиконовых форм, методов напыления металлов и т.д.

Таким образом, заказчики имеют возможность оценить эстетические свойства продукта. При необходимости возможно постоянное обновление дизайна изделия, внесение изменений в конструкцию, постоянная модернизация самого изделия. На физической модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия, осуществлять проверку формы, собираемости и функциональности изделий. Прототипы удобны в прикладных задачах, требующих оценки формы деталей и проверки

Исходные

требования:

> Назначение изделия;

> Целевая аудитория;

• Сроки изготовления;

• Материалы;

• Бюджет и т.д.

Техническое задание

База данных:

Предпроектная стадия

Проработка возможных дизайнерских решений, вариантов композиций и состава модулей художественного оформления

Детальное рабочее исследование и подбор возможных средств и способов реализации компьютерных и меха-тронных технологий

Готовый

прототип;

Исходные

модули;

Базовые

элементы;

и т.д.;

Машинный дизайн

II

£

Технический дизайн

Орнаментальный дизайн

Подготовка программ

Создание графической модели изделия

I

Генерация образца

I ~

модули

Синтез и подбор опций для реализации орнаментального дизайна

Масштабирование

Выбор материалов и технологии изготовления

Выбор средств и технологии художественного оформления

I

Рис. 1. Алгоритм машинного дизайнерского прототипирования

сборки изделий, так как все изменения можно внести в чертежи до начала производства.

На рисунке 1 представлена иерархическая последовательность реализации процесса машинной дизайн-технологии, где уровень I представляет предпроектную стадию, уровень II - процесс реализации процедуры машинного дизайна (с учетом возможности орнаментального дизайна проектируемого изделия, если это предусмотрено требованиями технического задания [2-4]); уровень III отражает фазу создания твердотельной модели изделия.

На предварительных этапах дизайнерской работы должны в полной мере использоваться средства компьютерной визуализации и оптимизации формируемой конструкции. Подобная идеология ускоренного формообразования объекта (единого работоспособного изделия, физической модели, макета, прототипа) подразумевает наличие следующих друг за другом взаимодействующих компонентов:

- 3D CAD-системы автоматизированного проектирования изделия;

- алгоритмов и программ компьютерной оптимизации конструкции изделия согласно предъявляемым требованиям дизайна, формы, функциональных свойств;

- средств компьютерной визуализации программ трансформации 3D-модели в совокупность 2D-моделей - послойных плоских сечений;

- оборудования воспроизведения этих послойных моделей сечений для того, чтобы материализовать эту модель в качестве единого физического объекта.

Реализация технологий быстрого прототипирования

Технологии быстрого прототипирования реализуются в автоматических установках, для которых управляющие программы формируются по файлам 3D-моделей создаваемых объектов. Именно эти признаки (наращивание или синтез по плоским слоям и автоматизация выполнения по 3D-моделям) являются общими для всех подобных установок, которые иногда называются моделлерами. Г ибкость и очень широкие возможности установок быстрого прототипирования позволяют относить их к числу интеллектуальных универсальных (поскольку изготовление осуществляется по единой технологии) интегрированных производственных систем.

Число технологий быстрого прототипирования велико (их более двух десятков), к тому же у каждой базовой технологии имеются варианты, реализованные в промышленно выпускаемых установках.

Ниже начиная с наиболее распространенных перечислены основные технологии (с краткой расшифровкой сути), используемые в установках быстрого прототипирования с указанием фирм производителей:

- FDM (Fused Deposition Modeling) - построение модели послойной укладкой размягченной нагреванием полимерной нити (Stratasis, США);

- SLS (Selective Laser Sintering) или просто LS - послойное селективное (избирательное) спекание порошкового материала (пластика или смеси с металлическим порошком) под термическим воздействием луча лазера (3D-Systems, США, EOS, Германия);

- SLA (от Steriolithography Apparatus) или SGC (Solid Ground Curing) - отверждение целыми слоями на твердом основании;

- PolyJet - метод многоструйного нанесения фотополимера многосопловой головкой с последующим отверждением слоя с помощью ультрафиолетовой лампы (Object Geometries, Израиль, 3D-Systems, США);

- MJM (Multi Jet Modeling) - построение модели путем нанесения расплавленного материала, чаще всего технического воска с помощью многоструйной головки по типу струйных принтеров, технология многоструйной печати (Z-Сorporation, США);

- MIT (InkJet) - заливка слоя порошкового материала склеивающим составом, который подается многоструйной головкой (Z-Сorporation, США);

- LOM (Laminated Object Manufacturing) - послойное склеивание плёночных материалов, например, полимерной пленки или ламинированной бумаги с последующим формированием («вырезанием») модели с помощью лазерного луча или режущим инструментом

(Hejisys, Schroff, США);

- DODJet-технология - нанесение материала струйной головкой с последующим фре-зированием контура;

- SLM (Selective Laser Melting) - послойное сплавление порошкообразного металла лазерным лучом;

- BPM (Ballistic Particle Manufacturing) - распыление термопластов (ударно-капельная технология);

- ЕВМ (Electron Beam Melting) - формирование слоя за счет расплавления порошкового материала пучком электронов.

Все RP-установки, в которых рабочим органом является струйная головка, из сопел которой выбрасывается жидкий рабочий материал (подобно обычным струйным принтерам), принято относить к SD-принтерам и по отношению к ним говорить об обобщенной технологии InkJet (или просто Jet), но иногда термин InkJet относится к конкретным технологиям, например, MIT - струйно-порошковая технология.

В последние годы специалисты констатируют значительный прогресс: особая роль стала отводиться RP-системам, непосредственно «выращивающим» детали из металлических порошковых композиций. В специальной литературе упоминаются такие технологии, как SMD (Shped Metal Deposition), DMD (Direct Metal Deposition), технологии EOS, MTT, Concept Laser, Arcam, LENS. Следует иметь в виду, что их список является существенно неполным, это только те технологии, которые реализуются в установках, серийно выпускаемых крупными фирмами. Каждая из технологий базируется на использовании определенных физических явлений или эффектов. Однако их доведение сначала до технологий, а затем до технических решений часто представляет собой длинный путь начиная от патента и кончая серийно выпускаемыми установками, поэтому немногие из них доведены до производства.

Достоинства и недостатки RP-технологий

Основным достоинством RP-технологий является то, что прототип создается одной процедурой, т.е. нет необходимости в планировании и программировании последовательности технологических операций для разного рода оборудования, материалов, в транспортировании от станка к станку.

Общими недостатками RP-технологий являются:

- относительно высокая стоимость установки;

- ограниченный выбор и высокая стоимость рабочих материалов;

- невысокая точность формирования прототипов (погрешность формы и положения поверхности превышает 0,1 мм);

- относительно низкая прочность моделей;

- обычно требуется дополнительная постобработка.

Однако с течением времени недостатки постепенно устраняются, снижается цена, растет число новых материалов, увеличивается выбор технологий.

Заключение

Прототипирование имеет достаточно широкую сферу применения, прежде всего технология SD-печати используется для выпуска опытных партий различных изделий. Объем заказа может варьироваться от одной до нескольких тысяч штук. Также быстрое прототипирование необходимо при частой смене дизайна деталей, модернизации и изменениях конструкции. В этом случае SD-печать позволяет избежать финансовых и временных затрат на серийную технологическую оснастку. Также прототипирование незаменимо в процессе запуска в серийное производство, для проверки конструкторских характеристик изделий, проведения испытаний и т.д. Одним словом, быстрое прототипирование применяется для производства мелких и средних партий деталей, единичных образцов, эксклюзивных разработок, опытных вариантов. Сферы использования данной технологии включают полиграфию, медицину, машиностроение, электротехническую и электронную промышленность, ювелирное искусство, архитектурное моделирование и др.

Литература

1. Ульрих К, Эппингер С. Промышленный дизайн: создание и производство продукта. - Москва: Вершина, 2007. - 448 с.

2. Кочева Т.В., Челпанов И.Б., Никифоров С.О., Аюшеева А.О. Машинное орнаментирование. Улан-Удэ: БИЕН СО РАН. 1999. 170 с.

3. Никифоров С.О., Мандаров Э.Б., Никифоров Б.С. Мехатронные устройства машинного орнаментирования изделий. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН. 2002. 153 с.

4. Никифоров СО., Жалсанова О.С., Никифоров Б.С. Компьютерные и мехатронные технологии машинного орнаментирования изделий // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2009. № 2. С. 9-19.