Быстрое изготовление прототипов в самых различных формах в настоящее время широко используется как для эстетической, так и для функциональной оценки, а современные трехмерные печатающие устройства достаточно точны и доступны по цене, чтобы компании могли себе позволить иметь их (одно или несколько) в своих проектных бюро…

Но быстрое прототипирование завоевывало общее признание значительно медленнее, несмотря даже на то, что у него были давние сторонники, которые прекрасно воспользовались имевшимися у них системами, особенно для литья по выплавляемой модели (также известного как литье с «выплавляемым модельным составом»).

Тем не менее, за последний год появилось больше оборудования и материалов для быстрого прототипирования, и они стали лучше, так что пользователи, занятые в промышленности, все чаще пользуются преимуществами, которые они им предоставляют, включая сокращение сроков, более простое изготовление по техническим требованиям заказчика и снижение затрат.

BMW приняла на вооружение быстрое прототипирование, но не для компонентов транспортных средств, а для устройств и приспособлений, которые используются во время сборки и испытаний. По сравнению с обычными деталями, которые изготавливаются из алюминия и полиамида, устройства и приспособления, изготовленные из ABS с использованием моделирования наплавки (FDM), значительно легче и могут иметь значительно более эргономичную форму. Меньшая масса не только преимущество для потребителя; также и проектировщику проще обеспечивать наличие у устройства или приспособления такого центра тяжести, который облегчает их применение, а также ручек, которые делают использование более комфортным.

Использование технологии FDM позволяет создавать детали с внутренней матрицей и пустотами, чтобы уменьшить массу. Хотя это и влечет за собой некоторое уменьшение прочности и жесткости по сравнению с деталями, изготовленными промышленным способом из алюминия и полиамида, окончательный результат дает параметры, достаточные для выполняемой деталью функции.

Механическая обработка эргономичной формы, такой как ручка, при изготовлении из твердого материала может быть затратной, и она может занимать много времени. Тем не менее, если использовать быстрое производство, можно создавать практически любую форму непосредственно с выполненной в CAD модели, при этом нет никаких дополнительных затрат, связанных с созданием более сложных трехмерных форм. С помощью быстрого производства можно также создавать полые детали, такие как пустотелые компоненты, которые трудно или дорого было бы производить в твердой форме.

Для данного типа применения, FDM обеспечивает необходимую точность (±0.1мм); детали, изготовленные этим способом, могут выдерживать температуры в условиях среды автомобильной сборки. Параметры устойчивости к воздействию химических веществ, прочности и жесткости также адекватны, а улучшенная эргономика устройств и приспособлений дает непосредственные преимущества для условий труда рабочих на поточной линии, а, значит, и для производительности. Для этого типа применения затраты сопоставимы с затратами на традиционные производственные технологии, так что основным преимуществом остается улучшенная эргономика.

Отливка в песчаной форме

Stratasys, которая производит установки для FDM, подобные тем, которые используются BMW, также сообщает, что их машины используются для создания макетов, которые применяются для отливки в песчаной форме. В то время как для традиционной отливки в песчаную форму необходимо сначала сделать макет из дерева или алюминия, можно использовать FDM для изготовления макета непосредственно на основе модели в CAD.

Материалы, которые используют для этого применения установки для FDM, включают: акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), поликарбонат (PC), смесь ABS-PC или полифенолсульфон (PPSF/PPSU). Считается, что использование FDM может сократить сроки разработки с месяцев до дней, и позволяет сэкономить сотни евро на макет. Кроме того, благодаря тому, что макет для быстрого производства затем используется для точно такого же процесса отливки в песчаную форму, что и деревянный и алюминиевый макет, любой из традиционных материалов может использоваться для литья, включая чугун, сталь, алюминий, латунь или бронзу.

Использующая подход, аналогичный описанному, компания Stratasys сообщает, что ее установки TitanFDM (Рис.1) также используются для создания макетов для компонентов вакуумного формования из целого ряда пластмассовых материалов, включая ABS, PC, полиэтилен, акриловые и термопластические эластомеры. Для инструментария для FDM можно использовать ABS, PC и PPSF/PPSU, хотя срок эксплуатации этих инструментов намного меньше, чем у инструментов, произведенных на установках из алюминия. Тем не менее, материалы для FDM обладают параметрами, достаточными для производства небольших партий изделий от 100 до 1000 единиц.

 
Рисунок 1: Установки для FDM Titan компании Stratasys можно использовать для создания макетов для компонентов вакуумного формования, а также концептуального моделирования, создания прототипов и прямого цифрового производства.

Можно сэкономить время и деньги по сравнению с алюминиевыми инструментами, произведенными на станках с ЧПУ, и здесь также возможно изменять параметры для того, чтобы делать инструменты пористыми в нужных местах, а это позволяет не сверлить отверстия и создает более однородную электровакуумную поверхность инструмента, обеспечивая тем самым более высокое качество.

Другой компанией, которая производит оборудование и материалы, которые пригодны для быстрого производства, является компания 3D Systems. С помощью ее технологии Quickcast можно создавать макеты для использования при литье по выплавляемой модели, и компания утверждает, что срок разработки может быть уменьшен на 80% по сравнению с традиционными технологиями литья по выплавляемой модели. Вместо создания инструментов по восковой литейной модели литьевой формы метод стереолитографии Quickcast позволяет создавать макеты непосредственно на основе трехмерных данных из CAD. 3D Systems сообщает, что технология Quickcast зарекомендовала себя при производстве деталей, отлитых из алюминия, нержавеющей стали, инструментальной стали, магния, титана и сплавов на основе меди, никеля и кобальта.

В отличие от стереолитографических моделей, создаваемых для производства прототипов, у которых могут быть оболочка и внутренняя структура опор, Quickcast создает модели с внутренней 'сотовой' структурой, которая сводит к минимуму массу, и, соответственно, количество материала, который выгорает при литье.

Быстрая конвергенция

Quickcast представляет собой эффективную специальную разновидность стереолитографической технологии быстрого производства прототипов компании 3D Systems, но недавняя разработка более жестких материалов означает, что быстрое создание прототипов и быстрое производство начинают объединяться друг с другом. Например, материал компании 3D Systems Accura Xtreme Plastic можно использовать как для создания прототипов с повышенной функциональностью и долговечностью, так и для замены компонентов продукции, сформованной из ABS и полипропилена (PP). Для того, чтобы проиллюстрировать процесс конвергенции быстрого изготовления прототипов и быстрого производства, можно обратиться к обзору 2006 г., который показал, что 42% владельцев установок заявили, что они используют систему быстрого изготовления прототипов для производства, по крайней мере, некоторых готовых деталей (Рис.2).

 
Рисунок 2: Сорок два процента владельцев установок компании Stratasys сообщили, что они используют свою систему быстрого изготовления прототипов для производства готовых деталей. Эти детали изготавливаются из смеси ABS-PC.

3D Systems также нацелилась на нишу, в которой имеется потребность в создании компонентов, адаптированных к требованиям потребителей. Работая в сотрудничестве с Dreve Otoplastik, 3D Systems разработала быструю, компактную низкозатратную систему для производства слуховых аппаратов на основе своей новой технологии Film Transfer Imaging (FTI). Известная как настольная производственная система V-FlashHA230 Desktop Manufacturing System, установка создает высококачественные трехмерные корпуса для слуховых аппаратов в течение нескольких часов, давая производителям аппаратов возможность создавать продукты, которые идеально приспособлены к потребностям слуха пациентов.

Вихревое спекание является еще одной технологией, в рамках которой происходит конвергенция быстрого изготовления прототипов и быстрого производства. Так, например, установки компании 3D Systems Sinterstation Pro и Sinterstation HiQ используют селективное лазерное спекание для создания прототипов и производства деталей с использованием пластмассы Duraform и металлов Laserform. Материалы Duraform, пригодные для быстрого производства, включают марки PA (полиамида), GF (стеклонаполненного полиамида), EX (дающих жесткость изготовленных литьевым формованием полипропилена и ABS), Flex Plastic (термопластического эластомера) и AF (полиамида с алюминиевым наполнителем). Металлы Laserform поставляются в виде трех марок: A6 (сталь), ST-200 (нержавеющая сталь со свойствами, аналогичными свойствам инструментальной стали марки P20) и ST-100 (нержавеющая сталь со свойствами, аналогичными свойствам инструментальной стали марки C35). Эти три марки стали предназначены, в первую очередь, для производства инструментов и вставок для литьевого формования.

Directtool - это название, которое использует EOS для своей технологии лазерного спекания непосредственно из металла (DMLS) применительно к инструментарию, а Directpart – это название, которое используется для готовых продуктов, которые производятся с применением этой технологии. Одним из примеров деталей, производимых этим способом, являются протезы, изготовленные спеканием из биологически совместимого сплава.

EOS также успешно применил технологию лазерного спекания для прямого производства песчаных литейных шишек и форм для отливки деталей из алюминия и магния (и, потенциально, также из чугуна и стали). Для производства шишек и форм с применением технологии, которую в компании EOS называют Directcast, в установке лазерного спекания использовались специально оптимизированные виды песка. В компании сообщают, что технология пригодна для создания очень сложных и детализированных песчаных шишек и форм для высококлассного литья с серийным качеством и со скоростью создания до 2500 см. куб./ч.

Применение в авиационно-космической промышленности

Разумеется, в компании EOS также имеются установки, и материалы, с помощью которых можно производить детали из пластмассы. Одной из интересных недавних разработок было представление PA2210FR, материала, который сертифицирован и зарегистрирован независимыми лабораториями как соответствующий требованиям инструкций по воспламенямости, дымообразованию, а также токсичности дыма. В результате материал пригоден даже для использования в авиационно-космической промышленности. Paramount PDS, американская компания-разработчик, занимающаяся быстрым производством, использовала этот материал для изготовления компонентов летного оборудования для коммерческих самолетов класса люкс, что позволило авиакомпании сократить срок от разработки до внедрения и исключить затраты на инструментарий (Рис.3). Кроме того, использование технологий быстрого производства дало возможность конструкторам иметь большую свободу при создании компонентов с более сложными формами по сравнению с теми, которые были бы возможны при использовании традиционных методов производства.

 
Рисунок 3: Paramount PDS изготовила компоненты, которые дали возможность производителю коммерческих самолетов класса люкс сократить срок от разработки до внедрения и избежать затрат на инструментарий.

В качества доказательства возможностей быстрого производства EOS включила 23 изготовленные с помощью лазерного спекания детали в установку FormigaP100, которая представлялась на Ганноверской ярмарке 2007 г., включая засыпной бункер для пластмассового порошка, крышку переключателя и несколько пирометрических элементов.

Шведская компания Arcam недавно представила более крупную установку для быстрого производства из металла, работающую на основе ее технологии электронно-лучевой плавки (EBM). Имея теперь выбор из двух емкостей (200x200x350 мм или 300 мм в диаметре при высоте 200 мм), новая установка ArcamA2 может создавать детали, которые на 75% больше по размеру, чем те, которые производились на предыдущей установке EBMS12.

Многие установки EBM S12 используются для производства медицинских имплантатов, и в компании надеются, что Arcam A2 позволит проникнуть в авиационно-космическую отрасль, а также отрасли мотоспорта и общего машиностроения. Arcam в настоящее время предлагает материалы Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI и ASTMF75CoCr, а также скоростную технологию EBM для производства деталей со свойствами материала, сопоставимыми с коваными деталями. Кроме того, в компании говорят, что на ее установках можно производить титановые компоненты со свойствами материала, которые превосходят свойства литого титана, что делает Arcam A2 конкурентоспособным предложением для производства авиационных компонентов.

На международной конференции по быстрому производству, которая проходила в Университете Лоуборо, Великобритания, в июле 2007 г., CRP Technology представила исследование 'Поворотная точка в производстве гоночных двигателей: структурные детали, изготовленные лазерным спеканием'. В докладе разъяснялось, как Ilmor и CRP Technology используют быстрое производство при разработке четырехтактного двигателя MotoGP. Наряду с многочисленными неструктурными деталями, произведенными с помощью селективного лазерного спекания, которые имеются в двигателе Ilmor, главной инновацией является крышка распредвала. Это структурная деталь, которая является опорой подшипников распредвала (которые вращаются со скоростью 19,000 оборотов в минуту); она смонтирована непосредственно на головке цилиндра четырехтактного двигателя объемом 800 куб. см., имеющего среднюю рабочую температуру примерно 130-140°C (Рис.4). Основной целью является использование селективного лазерного спекания для уменьшения массы крышки распредвала и повышения ее надежности. Кроме того, быстрое производство даст возможность быстрее завершать модификации так, чтобы некоторые устройства можно было менять даже в течение сезона.

 
Рисунок 4: Ilmor и CRP Technology используют селективное лазерное спекание для производства крышки распредвала для четырехтактного двигателя MotoGP с объемом 800 куб. см.

В результате рассмотрения некоторых современных применений быстрого производства, таких как изготовление хирургических имплантатов, авиационно-космических компонентов, а также структурных деталей для мотоспорта, мы можем сделать вывод о том, что на данный момент быстрое производство является полностью развитой отраслью. Несмотря на то, что в прошлом конструкторы рассматривали его как 'технологию, используемую кем-то другим', на сегодняшний день быстрое производство это отрасль, которую следует рассматривать в более широком контексте.

www.newchemistry.ru