Изготовление деталей способом быстрого прототипирования

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Машиностроительный институт

Кафедра автоматизации и технологии литейных процессов

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: «Изготовление деталей способом быстрого прототипирования».

 

 

 

 

Выполнил

студент группы МП-405      А. В. Дзызарь

 

Проверил                                                                                М.В. Ведерников

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2011

Содержание

1. Введение
2. Сущность процесса быстрого прототипирования и применяемое оборудование
3. Материаллы для изготовления деталей способом быстрого прототипирования
1. Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)
2. Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)
3. Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)
4. Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)
5. Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)
4. Заключение
1. Преимущества технологий БП
2. Недостатки технологий БП
5. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

Введение

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping - RP) - это процесс послойного построения физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией 3D модели. БП — технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации.       

Термин используется как в информационных технологиях  для обозначения процесса быстрой  разработки программного обеспечения (см. RAD), так и в технологиях, связанных с изготовлением физических прототипов деталей. RAD (от англ. rapid application development — быстрая разработка приложений) — концепция создания средств разработки программных продуктов, уделяющая особое внимание быстроте и удобству программирования, созданию технологического процесса, позволяющего программисту максимально быстро создавать компьютерные программы.       

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

 

 

 

Сущность  процесса быстрого прототипирования и применяемое оборудование       

Некоторые из установок  БП называют трёхмерными принтерами. Основное отличие этой технологии от традиционных методов изготовления моделей заключается в том, что модель создается не отделением "лишнего" материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части.      

Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов. Использование технологий RP позволяет существенно сократить сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ, работ по изготовлению технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.      

Спектр применения получаемых по нашей технологии моделей: выставочные образцы, прототипы  и промышленные образцы для проверки собираемости, конструкции и стиля. Также применяется для получения мастер моделей для тиражирования в силиконовых формах.       

Изготовленные прототипы могут применяться  в качестве замены моделей из воска  для процесса литья по выплавляемым моделям. Сокращаются сроки изготовления и большие затраты на инструмент; модели из гипса обеспечивают повышенную точность, качество отделки поверхности и упрощают технологию вспомогательных операций. Элементы прототипов могут быть изготовлены в виде готовой сборки. Минимальная толщина стенки может быть не менее 0,5 мм из соображений прочности.

Прототипирование  является обязательным этапом в процессе разработки любого нового изделия. Создание качественного прототипа, максимально  похожего на будущее изделие - весьма непростая задача. Приходится решать проблему точного повторения геометрической формы, собираемости, внешнего вида и поиска материалов, максимально похожих на заданные. Современный прототип позволяет не только оценить внешний вид детали, но и проверить элементы конструкции, провести необходимые испытания, изготовить мастер-модель для последующего литья. Использование RP-технологий в прототипировании способно на 50 - 80% сократить сроки подготовки производства, практически полностью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную, или на станках с ЧПУ.      

Построение  прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем или  модели с замкнутыми поверхностными контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования. Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку. Построение детали происходит послойно тех пор, пока не будет получен физический прототип. Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может оказаться, что отдельные элементы "повисают" в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек на каждый такой элемент.      

Основным различием между  технологиями прототипирования является прототипирующий материал, а также  способ его нанесения. В мире существует всего несколько компаний, изготавливающих RP-установки, они постоянно совершенствуют технологию и разрабатывают новые материалы.[1]       

На данный момент значительного  прогресса достигли технологии послойного формирования трёхмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии известны под разными терминами, например, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Adied Rapid Prototyping), однако наибольшее стереолитография (STL — sterolithography); отверждение на твёрдом основании (SGC — Solid Ground Curing); нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modelig); распыление термопластов (BPM — Ballistic Particle Manufacturing); лазерное спекание порошков (SLS — Selective Laser Sintering); моделирование при помощи склейки (LOM — Laminated Object Modeling); технология многосопельного моделирования (MJM Multi Jet Modeling) Иммерсионные центры, или системы виртуальной реальности.      

Все названные  технологии предполагают наличие трёхмерной компьютерной модели детали. Большинство известных САПР обеспечивают экспорт моделей в стандартном для быстрого прототипирования формате STL, или 3ds формат.[2]

 

Материаллы  для изготовления деталей способом быстрого прототипирования

1. Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)

 

      Стереолитография является самым первым и наиболее распространенным методом прототипирования, во многом благодаря достаточно низкой стоимости  прототипа. Принцип метода состоит  в послойном отверждении жидкого фотополимера лазерным лучом, направляемым сканирующей системой. Элеватор находится в емкости с жидкой фотополимерной композицией, и после отверждения очередного слоя смещается вниз с шагом 0,025-0,3 мм. Используется достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Качество поверхностей без доводки хорошее. Производители оборудования: 3D Systems www.3dsystems.com F&S Stereolithographietechnik GmbH www.fockeleundschwarze.de Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН www.laser.ru

2. Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)

 

      В SLS технологии в качестве рабочего материала используются порошковый пластик, металл или керамика, близкие по свойствам к конструкционным маркам. На поверхность наносится тонкий слой порошка, который затем спекается лазерным лучом, формируя твердую массу, соответствующую сечению 3D-модели и определяющую геометрию детали. SLS это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей и формообразующих для пластмассового и металлического литья. Прототипы из пластмасс обладают хорошими механическими свойствами, могут быть использованы для создания полнофункциональных изделий. Производители оборудования: 3D Systems www.3dsystems.com F&S Stereolithographietechnik GmbH www.fockeleundschwarze.de The ExOne Company / Prometal www.prometal.com EOS GmbH www.eos-gmbh.de.

3. Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)

Используются  нити из АБС, поликарбоната или воска. Свойства используемых пластиков очень  близки к конструкционным маркам. Термопластичный моделирующий материал подается через выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом. Технология применяется для получения единичных образцов изделий, по своим функциональным возможностям приближенных к серийным, а также для производства выплавляемых моделей для литья металлов. Производители оборудования: Stratasys Inc. www.stratasys.com

4. Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)

 

       Различные запатентованные  разновидности этой технологии  называются: MJM (Multi-Jet Modeling) - 3D Systems; PolyJet (photopolymer jetting) - Objet Geometries; DODJet (Drop-On-Demand-Jet) - Solidscape. Все технологии имеют свои особенности, но функционируют по одному принципу. Головка, содержащая от двух до 96 сопел наносит модельный и поддерживающий материал на плоскость слоя. После нанесения слоя, могут проводится его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используется воск, а в качестве модельного - широкий спектр материалов, очень близких по свойствам к конструкционным термопластам. Данный метод позволяет получать прозрачные и окрашенные прототипы с различными мехпническими свойствами - от мягких, резиноподобных до твердых, похожих на пластики. Производители оборудования: 3D Systems www.3dsystems.com Objet Geometries Ltd. www.2objet.com Solidscape, Inc. www.solid-scape.com

5. Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)

 

      Используются крахмально-целлюлозный  порошок и жидкий клей на водяной  основе, который поступает из струйной головки и связывает частицы  порошка, формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели, имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их. Производители оборудования: Z Corporation www.zcorp.com Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов). Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения детали мелко порезанные излишки материала легко удаляются. Структура полученного прототипа похожа на древесную, боится влаги. Производители оборудования: Helisys, Inc. - выпуск прекращен [3]

 

 

 

Заключение

4.1. Преимущества технологий БП

• Сокращение длительности технической подготовки производства новой продукции в 2-4 раза. 
• Снижение себестоимости продукции, особенно в мелкосерийном или единичном производстве в 2-3 раза. 
• Значительное повышение гибкости производства. 
• Повышение конкурентоспособности производства. 
• Сквозное использование компьютерных технологий, интеграция с системами САПР.

 

4.2. Недостатки технологий БП

• Относительно высокая цена установок и расходных материалов. 
•Невысокая точность 
• Относительно низкая прочность моделей

 
С течением времени недостатки постепенно устраняются - снижаются  цены, увеличивается выбор технологий и материалов.

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы 

1. Васильев В.А., Васильев Н.В., Максимов Н.М. Получение отливок методами быстрого прототипирования для ювелирно-художественной промышленности//Литейщик России. 2003. - №9. -С.20-28.
2. СапрыкинА.  А.  Технологии быстрого прототипирования вмашиностроительном производстве // «Современные технологические системы в машиностроении(СТСМ-2003)».Сборник тезисов докладов международной научно-практической конференции. –  г.  Барнаул:  Изд-во Алт.  гос.  ун-та им. Ползунова, 2003 г. –124-125 с.
3. Маркин В.А.,  Маркина С.А.  Проект системы для быстрого прототипирования распараллеливающего компилятора.  Универсальное внутреннее представление системы // Современные проблемы конструирования программ. —Новосибирск, 2002
4. Багров В.В.,  Голованов И.В., Куприянов Н.Л., Нефедов С.В. Петров А.Л., Саченко., А.И., Шишковский И.В. Основы метода селективного лазерного спекания метал-полимерных порошковых композиций //Препринт ФИАН. Москва. 1996. №14.