Товажнянский Л.Л., Грабченко А.И. и др. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления

Подождите немного. Документ загружается.

давние корни, однако, именно в наше время созрели все

предпосылки для реализации его огромного потенциала как

новой научно-производственной идеологии – «не от

большего к меньшему, а от меньшего к большему». Следует

подчеркнуть, что генеративные технологии представляют

собой образец эффективного интегрирования последних

достижений материаловедения, информационных, лазерных,

ионно-плазменных и др. наукоемких технологий, а также

теории управления, оптимизации технологических процессов

и конструкций, современных технологий литья,

прецизионной и ультрапрецизионной обработки и т. д.

(рис. 6), наращивания (например, для формирования

многослойной структуры и физико-механических и

функциональных свойств физической поверхности). Также

реализуема та или иная степень использования возможностей

информационных технологий – для ГТ различных уровней. В

особенности это касается генеративных технологий прямого

формообразования, например, послойное наращивание одно-

или многократным окунанием в расплав материала, сборка из

объемных (трехмерных) частей единой детали, спекание или

сварка послойно сформированных заготовок и др.

Концепция трех уровней позволяет системно

рассматривать и реализовывать весь потенциал

разнообразнейших технологий, соответствующих

генеративному принципу.

На макроуровне производится послойное выращивание

твердых тел, переход от виртуального пространства и

виртуальных моделей к твердотельным объектам

независимо от степени сложности их конструкции, форм и

размеров. Это технологии Rapid Prototyping и им подобные.

На микроуровне производится наращивание микрослоев

из различных материалов в любой последовательности

толщиной от нанометров до десятков микрометров. Это

технологии вакуумно-плазменные, химические, химико-

термические и т. д.

На наноуровне осуществляется наращивание объема,

когда толщина слоев составляет от доли нанометра до

нескольких нанометров, а граничный слой за счет

текстурирования и др. приемов формирует физическую

поверхность, ее топографию и функциональные свойства с

учетом анизотропии (рис. 7).

Генеративные технологии, в частности ускоренное

формообразование и прототипирование по идеологии Rapid

Prototyping, обеспечивают прямой переход от виртуального

пространства и виртуальных моделей (электронных эталонов

изделий) к реальным твердотельным трехмерным объектам

без ограничений по сложности формы, не прибегая к

использованию технологической оснастки.

В соответствии с предложенной концепцией трех

уровней генеративных технологий возможна комбинация

традиционных (конвенциальных) технологий (например, для

изготовления макроизделия) и технологий генеративных, по

крайней мере, одного из уровней – макро-, микро- или

наноуровней. Широко известен вариант нанесения

тонкопленочных покрытий на режущие инструменты,

изготовленные по традиционным технологиям

инструментального производства.

3.2. Генеративные технологии макроуровня

Традиционная аналоговая технология не в состоянии

достаточно быстро реагировать на требования рынка.

Рабочие процессы изготовления по аналоговым технологиям

традиционно базируются на послойном удалении материала

заготовки для получения детали заданных размеров, формы и

качества. Создание прототипов изделий, их моделей также

требует много времени.

Время создания продукта (ВСП) – промежуток времени

между возникновением идеи и внедрением продукта на

рынок, существенно влияет на конкурентоспособность

предприятия. Анализы указывают, что часто больше чем 25%

ВСП выпадает на долю изготовления прототипов и образцов,

изготовление 60% прототипов и прототипов штампов опять

же составляет несколько месяцев, так что быстрое

изготовление прототипов имеет большой потенциал

сокращения ВСП.

Анализ цикла создания продукта (ЦСП) показывает, что

во всех его фазах – от возникновении идеи продукта вплоть

до его внедрения на рынок – необходим прототип. Для

промышленных товаров широкого потребления ЦСП может

быть разделен на 6 фаз. Прототипы, использованные в

отдельных фазах создания, имеют различные признаки

относительно количества экземпляров, свойств

используемого материала, а также геометрических,

эстетических и функциональных требований (рис. 8).

В фазе предразвития многократно прорабатываются,

прежде всего, дизайн моделей и геометрические прототипы,

которые в общем случае, производятся в одном экземпляре.

Дизайн моделей должен быть точным только по размерам, а

удовлетворение других свойств второстепенно. Так

функциональные требования в этой фазе имеют

второстепенное значение, производятся такие модели

многократно из разнообразных материалов. Используются

они для изучения дизайна и эргономики, а также для первых

этапов маркетинга.

В противоположность первой группе геометрические

прототипы, уже обладающие эстетическими свойствами,

должны удовлетворять более высоким требованиям

относительно точности размеров и правильности формы.

Функциональные свойства пока также имеют второстепенное

значение. Материал для геометрических прототипов не

обязательно соответствует материалу серийных деталей, как

правило, здесь также назначается материал моделирования.

Типичная область применения этого способа –

производственное планирование изготовления, перепроверка

производства и сборки, а также грубое планирование

изготовления и сборки, где прототипы необходимы как

средство коммуникации.

В фазе создания функционального образца

изготавливают от 2 до 5 прототипов с целью проверить идею

изделия по принципу работы и функционирования и,

следовательно, оптимизировать. Основной вопрос на этом

этапе создания состоит в том, что анализируются функции

отдельных компонентов изделия и его составных частей. В

течение планирования процесса будут привлечены

функциональные прототипы к планированию производства,

последовательности изготовления, планированию сборки и

средств производства, исключая внешний вид и допуски на

размеры. Все остальные свойства имеют второстепенное

значение, т. к. они не вредят процессу функционирования.

В следующей фазе создания изготавливаются

технические прототипы в больших количествах экземпляров

(в зависимости от конкретных условий – от 3 до 20), которые

по возможности должны быть тождественны конечной

продукции в части используемого материала и установленной

технологии. При изготовлении, например, деталей,

получаемых штамповкой, литьем под давлением, назначается

проведение пробных анализов функции изделия,

длительности загрузки производства, технологичности и

реакции потребителей на пробную (опытную) партию, и

соответственно выбираются пробные инструменты.

Результаты таких первых тестов могут использоваться для

оптимизации конструкции.

Внедрение изделия на рынок происходит в предсерийной

фазе в зависимости от отрасли в количестве до 500 штук.

Отдельные конструктивные элементы производятся из

материала серии при использовании более позднего по этапу

инструмента и технологии. Предсерия необходима в области

планирования изделия, для интенсивного тестирования его и

рынка. В этой фазе происходит разгон производства,

необходимый для определения параметров производства и

проведения оптимизации. Последняя вносит некоторые

изменения для улучшения конечной продукции (обратная

связь).

Изготовление моделей и прототипов, необходимых в

рамках создания изделия, происходит, как правило,

посредством обычных технологий, при необходимости в

комбинации с литейным производством. В частности, здесь

находят применение NC фрезерные станки, копировальные

фрезерные, токарные станки и пр. Кроме этого, эти модели

вручную собирают, склеивают или спаивают.

Новые этапы развития науки, информатики, техники

CNC, лазерной технологии и т. д. позволили перейти к

интегрированным генеративным способам ускоренного

формообразования на макроуровне, избавиться от нескольких

фаз создания прототипов, рассмотренных выше.

Впервые такая технология - лазерная

стереолитография (SL) - была представлена на автошоу в

Детройте (США) в 1987 году [47, 48].

С конца 70-х годов разработка технологии велась

параллельно в США, Японии и России – Herbert А

(компания ЗМ - США), H. Kodoma (Prefecture Research

Institute - Япония). Hull С. (Ultra Violet Products. Inc. – CШA).

Система стереолитографии была запатентована Халлом К. в

1986 году, тогда же была основана фирма 3D Systems, Inc., а

уже к 1989 г. резко возросли инвестиции в разработку и

создание систем прототипирования. Резко возрос интерес

пользователей. SL установки появляются в Европе и

Японии. Быстро совершенствуются установки SLA 1,

SLA 250 (1989 г.), SLA 500 (1990 г.), SLA 5000, SLA 7000.

Успех новой технологии определялся уровнем достижений

науки о материалах, химии полимеров, лазерной физики,

оптики, динамики вязких жидкостей, компьютерной

инженерии и механики. С некоторым сдвигом во времени

появились и вышли на рынок первые конкурирующие

системы.

Подобные технологии разрабатывались в различных

центрах и странах под не совпадающими названиями: Rapid

Prototyping (быстрое прототипирование или

«оперативное» макетирование), Solid Freeform

Fabrication (твердотельное свободное выращивание),

Laminate Synthesis (послойный синтез), 3D Component

Forming (формирование трехмерных объектов),

формирование слоев наплавкой [11, 38, 43, 44, 50, 55, 58, 60]

и др. Они относятся к генеративным технологиям, в основе

которых лежат различные способы быстрого изготовления

изделий или их прототипов послойным наращиванием, а не

разделением объемов, что характерно для

конвенциальных (традиционных) технологий резания,

штамповки, электроэрозионной обработки и т.д. [1, 2, 16, 25,

26, 32, 33, 71]. На наш взгляд, понятие «генеративные

технологии» наиболее емко и обще определяет суть этих и

других различных способов ускоренного

формообразования послойным наращиванием, независимо

от того, каков механизм этого наращивания, какие материалы

и в каком состоянии используются, какие ограничения имеют

те или иные способы материализации, каковы масштабы

наращиваемых объемов.

Все способы ускоренного формообразования

макроизделий реализуются посредством последовательного

неразъемного соединения элементарных слоев объема.

Изделия любой сложности формы представляют собой

уложенные (и скрепленные) один на другой слои с

2D контуром постоянной или переменной толщины. Именно

контур в плоскости X-Y отличается наибольшей точностью,

а в направлении оси Z происходит дискретное наращивание

слоев, образующих своеобразные ступеньки. Естественно,

изделия без ограничений по сложности формы производятся

путем генеративных технологий без формообразующей

оснастки, что кардинально сокращает этапы

технологической подготовки производства и имеет целый

ряд достоинств. Но не только фактор времени стал

определяющим для быстрого завоевания все новых

областей применения генеративных технологий -

авиастроение, автомобилестроение, электроника,

инструментальное производство, медицина, археология,

архитектура и др. Прямое выращивание изделий способно

решать задачи формообразования макроизделий,

микро- и субмикрослоев из различных материалов и

управлять их функциональными физико-механическими

свойствами с заданным градиентом вплоть до атомного.

Разработка технологии Rapid Prototyping (RP) явилась

настоящим прорывом в области интегрированных

технологий, позволяющим во времени и пространстве

совместить или чрезвычайно сблизить разработку,

конструирование и изготовление типовой единичной модели,

детали или изделия в сборе, сократить время в зависимости

от степени сложности на 30-70%.

Во временной цепочке традиционного создания

продукта – период между возникновением идеи и выходом ее

на рынок – значительная доля приходится на изготовление

моделей, прототипов и образцов изделия. В рамках

интегрированных RP технологий задача значительного

сокращения этой доли решается наиболее успешно.

Развитие мощной вычислительной техники, способной

оперировать трехмерными образами, успехи в разработке

лазерных технологий обработки материала явились основой

развития технологий послойного создания трехмерных

реальных объектов любой степени сложности.

RP – интегрированный рабочий процесс ускоренного

изготовления деталей или их прототипов – на сегодняшний

день представляет собой органичное соединение

возможностей компьютерных технологий обработки

информации, трехкоординатного моделирования (CAD),

виртуального инжиниринга и современных лазерных и др.

способов изготовления (CAM).

Технологии Rapid Prototyping стали активно применять