Быстрое прототипирование

1 Быстрое прототипирование.

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping – RP) –предоставляет возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-системы, и получить чертежи и проекты в 3D-представлении.  
     По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках с ЧПУ), существовавшими до середины 80-х годов, появление систем быстрого прототипирования, существенно сократило время получения физической модели.  
     В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся на сегодня, работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем (рис.1): 

а) считывание трёхмерной геометрии  из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твёрдотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами).  
б) разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение; 
в) построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели;  
     Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Быстрое прототипирование в изготовлении физических объектов

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. 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 Aided Rapid Prototyping), однако наибольшее распространение получили:

• стереолитография (STL — stereolithography);
• отверждение на твёрдом основании (SGC — Solid Ground Curing);
• нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modeling);
• 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.

Некоторые из установок БП называют трёхмерными принтерами.

 

Назначение БП

• Для оценки эргономики, визуализации, дизайна изделия.
• Для функциональной оценки изделия (проверка качества сборочных изделий, аэродинамических характеристик, практичности).
• Использование в качестве модели для дальнейшего применения в производстве (в качестве литейной формы, электроэрозионного инструмента и др).

 

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

 

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.

Специальные области применения БП

• инженерный анализ
• визуализация потоков
• медицина

 

3D печать 

Разработанный в Массачусетском Технологическом институте процесс  трехмерной печати был назван так  из-за своей схожести с печатью  на струйном принтере В этом процессе машина распределяет слой порошка по поверхности рабочей ёмкости. В качестве строительного материала используется специальный порошок. Жидкий клей на водяной основе, поступая из 128-струйной головки, связывает частицы порошка, формируя контур одного сечения модели. Затем рабочая ёмкость опускается на толщину одного слоя; по всему объёму ёмкости, в том числе и по предыдущему слою, распределяется новый слой порошка, инжекционная головка очерчивает контур следующего сечения, и т.д. После окончания построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Процесс трехмерной печати происходит следующим образом:

1. Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой порошка надлежащей толщины.
2. Нанесенный слой порошка избирательно сканируется печатающей головкой, из которой поступает жидкое связующее вещество, вызывающее прилипание частиц друг к другу. Отсканированные печатающей головкой частицы образуют требуемую форму поперечного сечения.
3. Платформа опускается на одну толщину слоя, позволяя нанести следующий слой порошка.
4. Новый слой сканируется, образуя следующее поперечное сечение и склеиваясь с предыдущим слоем.
5. Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан верхний слой детали.
6. Для отверждения детали проводится последующая тепловая обработка.

 

 

Селективное лазерное спекание (SLS)

В SLS технологии порошковый материал послойно спекается лазерным излучением. В рабочей камере порошок предварительно прогревается до температуры, несколько  меньшей, чем температура плавления  легкоплавкой фазы. Синтезируемая модель расщепляется в компьютере на сечения  по информации из *.STL-файла и после  разравнивания валиком порошка  по поверхности зоны обработки, лазерное излучение СО2 лазера спекает требуемый контур, затем новый слой порошка насыпается, разравнивается и процесс повторяется. Когда модель готова, она извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются встряхиванием или зачисткой специальным шпателем.

 

2 Компьютерное моделирование  сосудов

Компьютерное моделирование  является одним из эффективных методов  изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать  в силу их возможности проводить  т. н. вычислительные эксперименты, в  тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов — сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную модель — тем более приближенной она окажется к реальной модели, тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель.[1] Компьютерное же моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели и т. д.

К основным этапам компьютерного  моделирования относятся:

• разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;
• формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы;
• планирование и проведение компьютерных экспериментов;
• анализ и интерпретация результатов.

 

Различают аналитическое и имитационное моделирование

При аналитическом моделировании  изучаются математические (абстрактные) модели реального объекта в виде алгебраических, дифференциальных и  других уравнений, а также предусматривающих  осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному  решению. При имитационном моделировании  исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Практическое применение

Компьютерное моделирование применяют  для широкого круга задач, таких  как:

• анализ распространения загрязняющих веществ в атмосфере
• проектирование шумовых барьеров для борьбы с шумовым загрязнением
• конструирование транспортных средств
• полетные имитаторы для тренировки пилотов
• прогнозирование погоды
• эмуляция работы других электронных устройств
• прогнозирование цен на финансовых рынках
• исследование поведения зданий, конструкций и деталей под механической нагрузкой
• прогнозирование прочности конструкций и механизмов их разрушения
• проектирование производственных процессов, например химических
• стратегическое управление организацией
• исследование поведения гидравлических систем: нефтепроводов, водопровода
• моделирование роботов и автоматических манипуляторов
• моделирование сценарных вариантов развития городов
• моделирование транспортных систем
• конечно-элементное моделирование краш-тестов
• моделирование результатов пластических операций

 

Различные сферы применения компьютерных моделей предъявляют разные требования к надежности получаемых с их помощью  результатов. Для моделирования  зданий и деталей самолетов требуется  высокая точность и степень достоверности, тогда как модели эволюции городов  и социально-экономических систем используются для получения приближенных или качественных результатов.

Преимущества компьютерного  моделирования заключаются в том, что оно:

 

• дает  возможность рассчитать параметры  и смоделировать явления, процессы и эффекты, изучение которых в  реаль­ных условиях невозможно либо очень затруднительно;
• позволяет не только пронаблюдать, но и предсказать ре­зультат эксперимента при каких-то особых условиях;
• позволяет моделировать и изучать явления, предсказыва­емые любыми теориями;
• является экологически чистым и не представляет опасно­сти для природы и человека;
• обеспечивает наглядность;
• доступно в использовании.

 Основные этапы компьютерного  моделирования