Изготовление прототипов
Изготовление пластикового опытного образца, повторяющего форму и свойства будущего изделия – один из ключевых этапов в создании разных устройств, деталей и механизмов. Прототипирование изделия позволяет проверить разные свойства: прочность, вес, герметичность, качество поверхностей, дизайн, собираемость и многое другое. Практически всегда по результатам исследования прототипа в конструкцию вносятся изменения, улучшающие его эксплуатационные свойства.
Используемое оборудование
Технологии прототипирования
-
Изготовленные вручную макеты.
Наиболее быстрый и бюджетный способ. В этом случае для производства прототипов применяют пластилин, полимерную глину или другой материал, легко изменяющий форму. Основной недостаток макетов – невозможность оценить многие важные характеристики будущего изделия. Тем не менее метод широко применяется для общей оценки дизайна и эргономики.
-
Фрезерование.
Достаточно сложный и дорогостоящий способ, популярный благодаря возможности получить прототип, максимально близкий к серийному изделию. Фрезерование позволяет проверить сопротивляемость детали или узла механическим воздействиям, а также убедиться в собираемости. Важно помнить, что фрезеровке поддаются только твердые материалы.
-
Литье.
Предусматривает использование специальных форм из силикона или мягкого металла. Литье в силиконовые формы дешевле, однако позволяет изготовить ограниченное количество деталей – как правило, не больше 10–20. Точное количество зависит в основном от сложности геометрии и наличия острых углов. Прототипирование изделий с помощью металлических форм дороже и требует длительных фрезерных работ. Главное преимущество – долговечность.
-
Лазерное спекание.
Если перечисленные выше способы предназначены преимущественно для получения общего представления о будущем изделии, то спекание лазером предоставляет гораздо больше информации. В случае со сложными изделиями появляется возможность оценить собираемость, а также (с известной степенью приближения) прочность конструкции. Прототипы, изготовленные методом лазерного спекания, не требуют сложной обработки и могут окрашиваться. В качестве сырья может использоваться прозрачный полимер.
-
Трехмерная печать FDM.
3D-печать – сравнительно новый способ, при котором изделие получают методом послойного наплавления материала. В качестве сырья здесь используются специальные нити или прутки, изготовленные из термопластиков. Процесс напоминает работу обрабатывающего центра с ЧПУ с той лишь разницей, что в случае с печатью материал не удаляется, а добавляется. Способ сравнительно дешев и быстр.
Как и лазерное спекание, трехмерная печать предусматривает аддитивное производство. Метод позволяет уменьшить объем производственных отходов, сокращая тем самым общие расходы материала. Аддитивные технологии пригодны для прототипирования изделий сложных форм, недоступных для литья и штамповки. Наконец, способ позволяет быстро воссоздавать физические объекты без использования традиционных чертежей и габаритных моделей. Стоимость оборудования для трехмерной печати неуклонно снижается, а точность операций возрастает.
Этапы создания 3D-прототипа
- Изготовление трехмерной модели. Для этого используются специальные программные среды, позволяющие не только быстро создавать детали, но и передавать координаты на оборудование для печати без сложной обработки. Прототипирование изделий возможно даже в случае, если 3D-принтер находится в другой стране. Все, что нужно для передачи данных, – доступ к интернету.
- Созданная деталь экспортируется в STL-формат, после чего генерируется G-код – особый язык программирования, поддерживаемый оборудованием для трехмерной печати. Код содержит команды на перемещение рабочих органов с необходимой скоростью, выполнение типовых последовательностей, а также управляет рабочими плоскостями, координатными системами и настройками оборудования.
- Принтер формирует деталь послойно путем многократных прохождений рабочей головки над поверхностью объекта. Для поворота заготовки используется платформа, управляемая высокоточным приводом. В начале работы она располагается в верхнем положении, позволяя головке формировать нижний слой объекта. После того, как операция завершена, платформа опускается на толщину одного слоя, и процесс повторяется заново – до тех пор, пока деталь не будет изготовлена.
Один из наиболее важных факторов при печати – качество разрешения. Этот параметр представляет собой минимальную высоту слоя материала, доступную для печати. Чем выше разрешение, тем тоньше получается слой, а значит, повышается и детализация. Несмотря на все достоинства высокого разрешения, печать с такой точностью занимает больше времени, что не всегда оправдано. Факторы, влияющие на уровень детализации:
- технология, используемая в конкретной модели принтера;
- качество печатающего механизма;
- материал, используемый для печати;
- настройки программного обеспечения.
Печать некоторых деталей сложной формы может потребовать создания поддерживающих конструкций, препятствующих опрокидыванию объекта. Такие элементы удаляются на заключительном этапе производства.
Применение трехмерного прототипирования изделий
Автомобилестроение
В этой отрасли с помощью трехмерной печати получают прототипы сложных деталей, изготовление которых традиционными способами экономически неоправданно. Трехмерная печать применяется для создания функциональных макетов, позволяющих протестировать реальные характеристики будущей детали. Также 3D-прототипирование востребовано в производстве концепт-моделей – в первую очередь, сложных салонных деталей, органов управления, кузовных элементов и других деталей, к эргономичности и дизайну которых предъявляются повышенные требования.
Авиационно-космическая промышленность
Технологии 3D-прототипирования используются в самолето- и ракетостроении при создании как прототипов, так и готовых изделий. Аддитивные технологии дают возможность изготавливать макеты и детали сложной формы, в частности, форсунки турбовинтовых двигателей и турбинные лопатки.
Медицина
Трехмерная печать – одно из наиболее перспективных направлений биоинженерии. Аддитивный метод идеально подходит для производства прототипов и рабочих моделей обычных и бионических протезов, внутренних органов, костных имплантов. Растущая популярность 3D-прототипирования в медицине обусловлена исключительно высокими требованиями к форме деталей, а также необходимостью подгонки к анатомическим особенностям конкретного пациента.
Приборостроение
Трехмерная печать позволяет многократно сократить и удешевить стадию прототипирования приборов разного назначения: от измерительной техники до коммутационного оборудования. Метод подходит для создания функциональных прототипов из современных инженерных пластиков (ABS, поликарбоната, полиамида и других). Изделия, полученные таким способом, могут отдавать на тестирование фокус-группам для всесторонних проверок в реальных условиях.
Примеры работ
