16+
ComputerPrice
НА ГЛАВНУЮ СТАТЬИ НОВОСТИ О НАС




Яндекс цитирования


Версия для печати

Модуль поиска не установлен.

Быстрое прототипирование и 3D-принтеры

28.01.2005

Сергей Ярошенко

Компьютерные технологии все глубже проникают в повседневную жизнь. Однако полностью стереть грань между объективно существующим миром и виртуальной реальностью невозможно. Сегодня оцифровать плоский объект и получить его "твердую копию" позволяют компоненты обычного домашнего офиса. Действительно, если речь идет о тексте, картинках и прочих двухмерных объектах, то принтеры и сканеры уже давно превратили подобную процедуру в дело простое и обыденное.

Вводная часть

Однако получить "твердую копию", т.е. физическую модель трехмерного цифрового объекта намного сложнее. Даже технологии, позволяющие построить и редактировать на экране компьютера трехмерную геометрическую фигуру (CAD-системы), нельзя назвать очень распространенными (хотя они, как по цене, так и по доступности находятся на уровне пользовательских программных продуктов). О возможности изучить цифровую модель с помощью природных сенсоров, т.е. взять ее в руки и рассмотреть при дневном свете, обычным пользователям можно только мечтать.

Технология, позволяющая получить "твердую копию" цифровой трехмерной модели, большинством читателей воспринимается как нечто близкое к научной фантастике, но именно подобным технологиям и посвящена данная статья.

Зачем нужна "твердая копия" цифрового трехмерного объекта?

Во-первых, для быстрого изготовления прототипов конструктору важно увидеть, как цифровая модель будет выглядеть в материале. По словам представителя авиакосмической компании Pratt&Whitney, "стоимость разработки сложного трехмерного объекта может значительно снизиться, если предложить инженерам вместо десятков чертежей посмотреть на реальную деталь".

Во-вторых, на физической модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Прототипы позволяют выполнять такие тесты, которые на готовом изделии и не проведешь. Например, компания Porsche в процессе разработки трансмиссии автомобиля использовала прозрачную пластиковую модель для изучения особенностей циркуляции масла.

В-третьих, такая модель создается очень быстро, а в наше время жесткой конкуренции и сжатых сроков реализации замыслов конструкторов и инженеров это достоинство очень важно. Существует целая индустрия так называемого "быстрого прототипирования" - Rapid Prototyping (RP), которая как раз и занимается разработкой и применением технологий твердотельного конструирования для этих целей.

Использование рассматриваемой технологии не ограничивается только этапом получением прототипа будущего изделия. Следующая стадия - это быстрое производство. Уже сегодня RP-технологии позволяют изготовлять законченные изделия из различных материалов. Такая возможность является идеальным решением для малосерийного производства, поскольку применяемый техпроцесс позволяет сделать что угодно (в разумных пределах, конечно) за относительно небольшое время. С помощью технологий быстрого прототипирования можно изготовлять формы для промышленного литья. Для обладателей форм дальнейший производственный процесс не вызывает никаких трудностей. Правда, цены и доступность (равно как и выбор материалов) такого оборудования пока оставляют желать лучшего.

В перспективе мало кто откажется от возможности сделать в домашних условиях какую-нибудь нужную деталь, вместо того чтобы искать ее по магазинам или заказывать за бутылку знакомому слесарю дяде Васе. Можно провести прямую аналогию с системами на FPGA (т. е. на программируемой логике), совершившими настоящую революцию в электронике. Технология FPGA позволяет создавать виртуальные электронные схемы на компьютере, а затем реализовывать виртуальные разработки в реальной микросхеме. Тот же быстрый прототайпинг, но уже для электроники. Причем, если раньше это было дорого и сложно, то теперь, при желании, можно изготовить микропроцессор, DSP, микроконтроллер практически в домашних условиях. В перспективе твердотельное конструирование позволит сделать то же самое с мелким промышленным производством. Что же представляют собой системы быстрого прототипирования сегодня?

Принцип работы систем быстрого прототипирования

Rapid Prototyping - это активно развивающаяся в проектной и производственной индустрии новая технология. Она обеспечивает возможность получения физических моделей и деталей без их инструментального изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-систем в RP-систему. Инженер, после завершения работы на CAD-станции над идеей или проектом, может дать команду "печать" и после нескольких часов или дней (в зависимости от размера объекта) получить физическую модель спроектированного в цифровом виде изделия.

В настоящее время на рынке представлен ряд RP-систем, производящих модели с помощью различных технологий и из всевозможных материалов. Все имеющиеся системы для быстрого прототипирования работают по схожему - послойному принципу построения физической модели, который заключается в реализации трех этапов:

- считывание трёхмерной геометрической информации из CAD-систем в формате STL. Все CAD-системы твёрдотельного моделирования способны транслировать файлы в формате STL;
- разбиение трёхмерной цифровой модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием;
- построение сечений детали слой за слоем снизу вверх до тех пор, пока не будет получен физический прототип цифровой модели. Слои, располагающиеся снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Существующие технологии быстрого прототипирования

По принципу работы все системы быстрого прототипирования можно разделить на два больших класса: собственно RP-системы и 3D-принтеры. Ниже приведены технологии, используемые в RP-системах.

RP-системы

Стереолитография. Исторически первой появилась стереолитография (Stereo Lithography или SLA). Ее изобрел и запатентовал Чарльз Халл в далеком 1986 году. Позже он основал компанию 3D Systems по производству соответствующего оборудования. Впоследствии к ней присоединилась немецкая EOS GmbH, японские Sony-DMEC и Mitsui Engineering и другие.

Суть технологии заключается в следующем: в рабочем пространстве RP-системы находится фотополимер в жидком состоянии, который при облучении ультрафиолетом застывает в достаточно твердый пластик. Аналогичным образом "устроены" светотвердеющие зубные пломбы. Фотополимер засвечивается либо ультрафиолетовым лазером, либо обычной ультрафиолетовой лампой. Луч лазера фактически поточечно обрабатывает поверхность, формируя отдельные маленькие твердые участки, из которых образуется сечение модели. Затем рабочий стол опускается вместе с полученной частью модели и строится следующий уровень. Так, послойно, и изготавливается физическая модель. Готовый "отпечаток" с точностью до десятых долей миллиметра соответствует цифровой модели, хорошо воспроизводит мелкие детали прототипа и обеспечивает достаточно ровную поверхность изделия. Именно эта технология наиболее широко распространена в настоящее время. Однако стереолитографические установки дороги (цена измеряется в сотнях тыс. долл.), да и набор обрабатываемых материалов ограничен фотополимерами.

Масочная стереолитография. Более скоростной вариант этой технологии был разработан компанией Cubital Inc. Называется она "масочная стереолитография" (Solid Ground Curing или SGC). В качестве рабочего материала используется все тот же фотополимер, только засвечивается сразу вся его поверхность с помощью ультрафиолетовой лампы через фотошаблон. Фотошаблон для каждого слоя печатается на стекле. Для этого используется технология, напоминающая лазерную печать. Очевидно, что такой способ дает значительный прирост производительности за счет одновременного засвечивания всего слоя полимера вместо поточечного сканирования. Например, компания Envisiontec предлагает установку Prefactory, которая занимает всего 0,3 м2, поэтому ее можно разместить даже в небольшом офисе. Материал засвечивается по методу Digital Light Processing или DLP, аналогичному тому, что используется в цифровых проекционных системах. Разрешение для одного рабочего слоя (сечения) составляет 1280x1024 пикселя при физическом размере пикселя в 150 или 90 микрон. Толщина слоя варьируется от 150 до 90 микрон. На Prefactory можно создавать прототипы размером до 190x152x230 мм со скоростью до 15 мм (в высоту) в час. Управление осуществляется компьютером с операционной системой Linux, связь с внешним миром - через локальную сеть. Это означает, что задание на Prefactory можно посылать как на обычный сетевой принтер.

Селективное лазерное спекание. Альтернативным методу стереолитографии является селективное (выборочное) лазерное спекание (Selective Laser Sintering или SLS). Этот технологический процесс был разработан в 80-х годах прошлого века в Техасском университете в Остине и запатентован в 1989 году выпускником университета Карлом Декардом. На поток дело поставила компания DTM Corp.

Селективное лазерное спекание начинается тогда, когда очень тонкий слой легкоплавкого при нагреве порошка укладывается в рабочую камеру цилиндрической формы. Для спекания порошка, разложенного внутри границы контура рабочей камеры, используют лазер. Лазер повышает температуру порошка до точки плавления, происходит частичное спекание вещества и формирование его в твердую массу. Интенсивность луча изменяется так, чтобы расплавлять порошок только в зонах, ограниченных геометрией будущей конструкции. Как только лазер обработает весь слой порошка в данном сечении, тут же насыпается новый тонкий слой и процесс повторяется. Затем деталь удаляется из зоны обработки и свободный порошок вытряхивается. SLS-детали могут быть получены из порошков с различным размером зерен в зависимости от будущего применения деталей.

Лазерное спекание обеспечивает высокое качество готовых изделий, хотя поверхность модели получается пористой. Преимущество - достаточная для малосерийного производства прочность деталей. Правда, SLS-установка дорога, а скорость воспроизведения цифровой модели составляет всего несколько сантиметров в час, плюс несколько часов на нагревание и остывание установки. Кроме хорошей точности и высокой прочности получаемых объектов, SLS обладает еще и таким достоинством, как возможность получать детали с движущимися частями, например, подвижными петлевыми соединениями.

Для SLS-процессов разработаны специальные материалы, позволяющие изготавливать металлические детали. В этом случае используется не легкоплавкий пластиковый порошок, а микрочастицы стали, покрытые слоем связующего пластика. Спекание пластика происходит как обычно, а затем модель помещается в печь, где пластик выгорает, а образовавшиеся пустоты заливаются бронзой. В результате получается вещество, превосходящее по механическим качествам алюминий и приближающееся по прочности к нержавеющей стали. Оно состоит на 60% из стали и на остальные 40% из бронзы. Фактически, с помощью SLS-технологии можно воспроизводить полноценные металлические предметы произвольной формы. Достоинство заключается еще и в том, что имеются аналогичные материалы с керамической или стеклянной сердцевиной. Из них получаются изделия, устойчивые к высоким температурам и агрессивным химическим веществам. Их минус - дороговизна технологического процесса и материалов.

Изготовление моделей из ламинатов. Еще одна технология твердотельного конструирования с использованием лазера - ламинирование (Laminated Object Manufacturing или LOM) - разработана компанией Helysis. Сама Helysis в 2000 г. прекратила существование, но на основе ее метода сейчас разрабатывают свое оборудование несколько других производителей. Суть технологии такова: в машину по очереди заряжаются тонкие листы рабочего материала, из которого затем лазером вырезаются слои будущей модели. После резки слои склеиваются друг с другом. В качестве материала первоначально использовалась специальная бумага со слоем клеящего вещества. Однако таким образом можно нарезать тонкий пластик, керамику и даже металлическую фольгу. Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, преимуществом LOM-моделей является надежность, устойчивость к деформациям и хорошее соотношение эффективность-стоимость, не зависящее от геометрической сложности.

Многоструйное моделирование с помощью 3D-принтеров

Все вышеназванные системы имеют принцип работы, напоминающий лазерную трехмерную печать, однако существует еще и "струйная" трехмерная печать. Простейшая из подобных технологий - моделирование диффузионным напылением (Fused Deposition Modeling или FDM).

Моделирование диффузионным напылением. Основы этой технологии были разработаны еще в 1988 г. Скоттом Крампом, а производителем оборудования для FDM стала компания Stratasys.

Основным достоинством таких систем является управляемая двухкоординатная нагревательная головка. Идея очень проста - жидкий термопластичный материал выдавливался из головки принтера, а затем укладывался тонким слоем. Материал подается с катушки в виде проволоки диаметром 1,25 мм. В головке проволока нагревается и плавится при температуре, превышающей точку отверждения на 10С. Жидкая субстанция отвердевает очень быстро. Благодаря двухкоординатному движению головки вещество укладывается тонким равномерным слоем. Ширина диффузионного слоя колеблется от 0,22 до 2,5 мм в зависимости от скорости нанесения материала, размеров сопла и точности позиционирования головки. После нанесения одного слоя платформа опускается на величину от 0,03 до 0,7 мм. При этом важно контролировать процесс с помощью компьютера, как это происходит при фрезеровании. Технология FDM позволяет с достаточно высокой точностью (минимальная толщина слоя - 0,12 мм) производить полностью готовые к использованию детали довольно большого размера (до 600x600x500 мм). Агентство NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на "космическую фабрику". Ведь в космическую экспедицию нельзя взять неограниченное количество запчастей ко всему оборудованию. Да и разместить полноценный механический цех на космическом корабле вряд ли удастся. А вот загрузить пару сотен килограммов исходного термопластичного материала и компактную машину, которая сможет сделать из этого вещества любую деталь, задача вполне решаемая.

Многофазовое струйное отверждение. Обычно 3D-принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких моделей достаточно для визуализации разрабатываемого изделия. Стоимость установок колеблется от 35 тыс. до 50 тыс. долл., тогда как стоимость традиционных RP-систем начинается с 65 тыс. долл. и доходит до 800 тыс. долл. Прототипы, изготовленные на 3D-принтерах, оцениваются в сумму от 15 до 35 долл.

Штутгартский и Бременский институты разработали технологию многофазового струйного отверждения. В данной технологии смесь порошка и волокна осаждается на поверхность с помощью управляемого сопла. Смесь подогревается в отсеке принтера до температуры 70-100оС в зависимости от свойств рабочего материала. В качестве материала применяются порошки, используемые для литья под давлением. При указанной температуре смесь становится однородной по густоте и способна проходить через сопло. Очень важно обеспечить низкое поверхностное натяжение материала для формообразования без усадки. Впоследствии прототипы дорабатываются с помощью технологии, напоминающей металлическое литье под давлением. Происходит спекание вещества и получение новой молекулярной сетки повышенной прочности.

В настоящее время эта технология используется в 3D-принтере Actua 2100 компании 3D Systems. Материал полученного прототипа похож на твёрдый воск. Толщина накладываемых слоев составляет 0,0015 дюйма (0,04 мм) с разрешением 300 точек на дюйм. Стоимость установки около 65 тыс. долл.

Похожую технологию "струйной печати" - Polyjet разработала компания Objet Geometries. Здесь струйная головка используется для печати фотополимерным пластиком. Модель, как обычно, печатается слой за слоем, причем разрешение в слое составляет 600x300 точек на дюйм, а толщина слоя может быть доведена всего до 16 микрон. Каждый отпечатанный слой полимеризуется в твердый пластик под действием ультрафиолетовой лампы. В принципе, все это довольно похоже на SLA, но намного быстрее, точнее, проще и компактнее. При этом цена на принтеры Objet находится на уровне 60 тыс. долл. - в несколько раз меньше, чем у установок SLA. Аналогичную систему под названием InVison производит и компания 3D Systems, так что основательница стереолитографии тоже не стоит на месте. Цена этой машины - около 40 тыс. долл.

Существует еще одна технология "струйной печати", уже с использованием порошковых материалов. Разработана она была в Массачусетском технологическом институте, а первым и основным производителем оборудования стала компания Z Corporation. Ее 3D-принтеры относительно недороги (цены от 10 тыс. до 30 тыс. долл.) и работают существенно быстрее вышеописанных устройств. Технологический процесс заключается в следующем: специальная струйная головка (кстати, адаптированная из струйных принтеров Hewlett-Packard) набрызгивает на порошковый материал клеящее вещество. В качестве порошка используется обычный гипс или крахмал. В "забрызганных" местах порошок склеивается и формирует модель. Печать, как и в предыдущих случаях, идет послойно, а лишний порошок в конце стряхивается. Однако есть и существенная разница - этот принтер может использовать клеящую жидкость с добавлением пигментных красителей и печатать цветные модели. В цветном принтере от Z Corporation установлены 4 струйные головки с чернилами-клеем основных цветов, так что полученная модель может воспроизводить не только форму, но и окраску (то есть текстуру) своего виртуального прототипа. Правда, гипсовые модели получаются не очень-то прочными, но зато их сразу можно использовать в качестве форм для литья. Детализация полученного объекта - очень высокая.

Вариант вышеописанной порошковой "струйной печати" разрабатывает компания ProMetal. Ее фирменный производственный техпроцесс, Direct Metal Process или DMP, работает аналогично, только вместо гипсового порошка применяется металлический. Сформованное изделие обжигается в печи, так что порошок либо сплавляется сам, либо связывается более легкоплавким металлом (как и при лазерном спекании металлических порошков).

Практическое применение полученных прототипов

Визуализация. Технология Rapid Prototyping предоставляет инженерам и дизайнерам свободу творчества при создании дешевых трехмерных моделей. Можно провести чистовую обработку поверхности прототипа, чтобы заказчики и персонал имели возможность оценить эстетические свойства будущего продукта.

Форма, сборка и функциональность изделий. Прототипы, созданные по технологиям, обеспечивающим достаточную прочность моделей, удобны в прикладных задачах, требующих оценки формы деталей и проверки качества сборки изделий, т. к. все изменения можно оперативно внести в CAD-чертежи еще до начала массового производства.

Литье по выжигаемым моделям. Прототипы способны выступать в качестве разовых моделей для точного литья, если они изготовлены из материалов, выгорающих под действием высоких температур. Т.к. подобные объекты не расширяются и не трескаются при обжиге, возможно применение традиционных методов литья, при которых модели выгорают при заполнении формы расплавленным металлом.

Вакуумное литье пластмасс. Прочность и жесткость прототипов делает их удобными для вакуумного литья тонких пластмассовых компаундов при малых и средних объёмах производства. Прочность моделей, полученных по технологиям LOM, SLA, FDM, SLS, позволяет им выдерживать высокое напряжение при литье.

Изготовление пресс-форм. Прототипы, имеющие достаточную прочность, используются для быстрого изготовления пресс-форм для литья по выплавляемым моделям из парафиново-стеариновых составов при малых и средних объемах производства. Для улучшения качества отливок и увеличения ресурса пресс-форм, на рабочие поверхности можно нанести металлическое покрытие.

Отливка гипсовых форм. Геометрическая стабильность LOM, SLA и других моделей и свойственная им точность делают возможным их использование для литья гипсовых форм.

Пресс-формы из силиконового каучука. Прототипы часто используются при литье из силиконового каучука для получения полиуретановых или эпоксидных отливок.

Немного о перспективах

Исследования в области быстрого прототипирования идут полным ходом. Например, группа ученых из Калифорнийского университета разрабатывает технологию трехмерной печати, которая позволила бы одновременно создавать и форму, и содержание объекта. Под содержанием здесь подразумевается электронная начинка, т. е. принтер печатает корпус мобильного телефона из пластика и одновременно печатает внутри корпуса всю электронику. Уже сегодня существуют способы печати пластиковых полупроводниковых устройств и соединяющих их проводов. Осталось только объединить эти способы с технологией 3D-принтеров, и готов революционный прорыв в современном производстве.

Другой пример - разработки Университета Миссури, позволяющие при помощи струйника выводить на печать своеобразные заготовки биологических органов. В качестве чернил при этом используются сгустки клеток заданного типа. Вместо бумаги выступает специальный биогель, который фиксирует положение клеточных сгустков в пространстве. Печать производится в несколько слоев. В результате получается объемная конструкция из клеток, которая, в принципе, может имитировать любой орган (после вырастания клеток гель растворяется, так что возможно получение полых структур). Конечно, печать полноценного органа для пересадки пока представляется слишком сложной задачей, но работа в этом направлении ведется.

Источники

Статьи Константина Афанасьев, Игоря Бойцова и других авторов.



статьи
статьи
 / 
новости
новости
 / 
контакты
контакты