|
При разработке новых видов продукции зачастую возникает необходимость получения опытных образцов (прототипов), работая с которыми можно устранить возможные недостатки, а также улучшить дизайн и функциональные свойства будущего изделия.
С проблемой получения прототипа сталкиваются все разработчики и дизайнеры. Особенно остро она стоит при проектировании сложных узлов и деталей высокотехнологических устройств или же при создании элементов, оформляющих внешний вид изделия. Несмотря на достаточное количество программ компьютерного анализа и средств объемного моделирования объектов, получение модели-прототипа не теряет своей актуальности. Ведь плоский экран монитора не передаст всех особенностей будущего изделия, которые совокупно воспринимаются человеческим глазом при взгляде на реальный предмет. Получение прототипа диктуется не только желанием посмотреть и пощупать будущее изделие, но и необходимостью проведения некоторых испытаний, результаты которых невозможно получить методами компьютерного анализа.
Зачем создавать прототип?
Получение прототипа открывает следующие возможности:
- конструкторы и дизайнеры могут оценивать внешний вид, эргономику разрабатываемого изделия, проверять собираемость и функциональность его конструкции, внося необходимые изменения еще до запуска изделия в производство;
- существуют преимущества при патентовании;
- на основе прототипа можно создавать мастер-модели для изготовления традиционной технологической оснастки (например, литьевой формы
В свою очередь, тиражирование изделия на основе созданного прототипа также открывает ряд дополнительных возможностей. Прежде всего, это выпуск опережающих партий продукции параллельно с процессом подготовки основного производства, что дает возможность быстрее завоевать рынок. Благодаря такому ходу выигрывается время, которое в условиях жесткой конкуренции автоматически предоставляет игроку рынка пальму первенства. Имеется также возможность предварительного тестирования изделия на потребительском рынке, а это снижает коммерческий риск. Благодаря выпуску пробной партии конструкторы могут доработать изделия до запуска их основного производства. Тестирование продукта на рынке помогает вскрыть недостатки и показать направления его совершенствования. Иногда тиражирование небольшой партии изделий диктуется особенностями потребительского спроса. Существуют определенные виды продукции, спрос на которую мал и ограничен узким потребительским кругом вследствие ее специфичности. Чаще всего это изделия специального назначения, скорость и продолжительность выпуска которых определяется в основном конкурентной борьбой.
Задача создания прототипа или, в некоторых случаях, небольшого тиража какого-либо изделия, стоит по-разному остро в зависимости от методов производства. Наиболее востребованы прототипы в литейных производствах, когда конечное изделие выполняется из пластика или металла. Это объясняется тем, что оснастка для получения разработанного изделия стоит достаточно дорого, кроме того, для ее изготовления требуется много времени. Именно трудоемкость, высокая стоимость и низкая скорость создания опытных литейных деталей являются основными факторами, сдерживающими развитие конструкторских работ и последующее внедрение изделия в производство. В большинстве случаев опытные образцы, появившиеся, так сказать, с листа, то есть прототипы первой серии, очень сильно отличаются от конечного изделия. Использование литьевой оснастки, изготовленной специально для прототипа, невозможно для выпуска промышленной партии, поэтому цена прототипа может быть очень высока. Но материальные затраты иногда несоизмеримы с временными.
В условиях жесткой конкуренции фактор времени выходит на первое место. Для создания литьевой формы по стандартной технологии необходимо на базе чертежа изделия разработать конструкторскую документацию на форму, а затем ее изготовить. При этом в зависимости от сложности изделия потребуется время от двух до десяти месяцев. И это все для того, чтобы один раз отлить прототип.
Повысить эффективность конструкторско-технологической подготовки производства позволяет революционная технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping или RP-технология). Применение технологии RP на Западе дало своеобразный толчок развитию машиностроения. Она заключается в создании компьютерной трехмерной модели в системе CAD и ее последующей материализации на специальном оборудовании. Примечательно, что для создания прототипов по данным технологиям в основном используются полимеры.
Технология RP абсолютно по-новому решает проблему создания прототипов. Допустим, некое предприятие, специализирующееся на производстве пластмассовых деталей для машиностроения, разрабатывает изделие сложной конфигурации, работающее в тяжелых условиях нагрузки в совокупности с другими деталями. Используя технологию быстрого прототипирования, конструктор может, создав компьютерную модель будущего изделия, изготовить по ней прототип. Причем это будет не просто макет, а реальная физическая модель, выполненная из материала, который по своим свойствам будет наиболее близок к материалу будущего изделия. Имея физическую модель, разработчик может определить и устранить ошибки, проведя ряд испытаний: оценить работу детали в совокупности с другими элементами узла, выявить конструктивные недостатки, апробировать некоторые рабочие характеристики будущего изделия.
В настоящее время существуют различные RP-системы, которые работают по одному и тому же принципу — послойное построение физической модели.
Стереолитография и лазерное спекание
Наиболее распространенными и прогрессивными способами получения твердотельной модели — прототипа — являются стереолитография (Stereo Lithography Apparatus — SLA-процесс), а также выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS-процесс). В стереолитографической машине прототип получают из жидкого фотополимера. На основе файла STL автоматически создаются опоры для выступающих частей детали. Затем лазер, управляемый компьютером, отверждает первый слой жидкого полимера. Далее деталь опускается на глубину, равную толщине следующего слоя, и операция отверждения повторяется. Для получения литографических моделей используются фотополимеры, которые могут быть обработаны механически. Поверхность детали может быть доведена до зеркальной или окрашена. Стоимость оборудования для стереолитографии колеблется в пределах от $200 до $700 тыс., при этом цена фотополимера составляет около $200 за 1 килограмм. Несмотря на столь высокую цену, данная технология весьма эффективна, так как позволяет получить прототип достаточно быстро. Скорость построения занимает от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от объема и сложности изделия.
Установки для послойного спекания (SLS) предназначены для создания моделей из порошковых материалов. Здесь, как и в стереолитографии, используется лазер. При этом лазерный луч является источником тепла, а не света. Попадая на тонкий слой порошка, он проводит выборочное, в соответствии с геометрией детали, спекание. В отличие от стереолитографии, преимущество данного метода заключается в отсутствии опор при построении прототипа, так как процесс ведется в однородной массе: порошок, как и твердый материал, выдерживает созданные слои модели. Кроме того, лазерное спекание теоретически возможно для всех порошковых термопластов. Это тоже огромный плюс данного метода, поскольку прототипы могут быть получены из тех же материалов, что и будущее изделие. Таким образом, SLS-процесс дает возможность получать функциональные модели, так как спеченные прототипы имеют практически те же механические свойства, что и изделия, полученные литьем под давлением. Следует отметить, что установки для послойного спекания относятся к классу самых дорогих машин и стоят более $700 тыс.
| Прототипы могут быть получены из тех же материалов, что и будущее изделие
|
Дорого, быстро и качественно
Описанные выше технологии чем-то напоминают фрагмент фильма Люка Бессона «Пятый элемент», когда по данным кода ДНК компьютер послойно создал клон героини Милы Йовович. Технологии действительно необычные, революционные, наукоемкие. Они заняли свое прочное место практически во всех областях материального производства в индустриально развитых странах. Прогресс развития промышленности во многом обязан как раз им.
Исходя из описанных технологий и характеристик оборудования, можно сделать вывод, что для обеспечения такого рода производства потребуются высококлассные специалисты, сочетающие в себе специфические знания и опыт. Помимо основного, весьма дорогостоящего оборудования, также потребуется вспомогательное оборудование и материалы, которые стоят недешево. Позволить себе иметь собственную лабораторию по выращиванию прототипов могут очень обеспеченные предприятия. А их в мире не так уж и много. Например, фирма General Motors за последние несколько лет приобрела четыре различные установки Rapid Protоtyping стоимостью $500 тыс. каждая. При этом общее число оборудования такого типа в компании достигло 19 единиц. Однако специалисты считают, что необходимо, по крайней мере, удвоить эту цифру для эффективной работы компании.
Этапы послойного построения физической модели
| |
1. Создание трехмерной модели будущей детали в пакете CAD.
2. Переведение трехмерной модели в формат STL, после чего производится ее разбивка на сечения.
3. Послойное построение сечений детали до тех пор, пока не будет получена модель.
|
Следует отметить, что на данный момент существует достаточное количество специализированных компаний, обладающих всеми возможностями RP-технологий и предлагающих свои услуги. Средняя цена изготовления прототипа находится на уровне $3–4 за один кубический сантиметр. Это достаточно дорого, если не учитывать, что выращенный прототип не влечет за собой затраты на разработку и изготовление литьевого оборудования и экономит месяцы работы по его созданию. Среди предприятий, предлагающих услуги быстрого прототипирования, можно назвать российские компании ООО «Рапитех», ОАО «Ломо», «ЭСПО Технологии», Solver, ГНЦ ФГУП «НАМИ». Например, бельгийская служба Next Day готова принять заказ даже по Интернету. Причем если заказ делается до 12.00 по центральноевропейскому времени, прототипы изготовляются и отправляются в тот же и доставляются на следующий день.
Способ быстрого получения технологической оснастки (Rapid Tooling, или RT) в западных странах завоевывает такую же популярность, как и быстрое прототипирование. В большинстве случаев они связаны и следуют одна за другой в процессе подготовки серийного производства. Ведь после применения RT-технологии следует процесс получения изделий небольшими партиями, то есть тиражирование.
Тиражирование
Когда стоит задача получить небольшое количество изделий из материала, по своим свойствам максимально похожих на серийное изделие, применяют в основном вакуумное литье в силиконовые формы. Суть метода заключается в том, что полученный прототип заливают жидким силиконом. Для предотвращения образования воздушных пузырьков между прототипом и силиконом процесс заливки проводят в вакууме. После полимеризации силикона форму разрезают вдоль плоскостей разъема или просто разнимают, если предварительно технологически была оформлена плоскость разъема. Для литья в силиконовые формы, полученные таким способом, обычно используют двухкомпонентные полиуретаны. Большое разнообразие полиуретанов, предназначенных для вакуумного литья, обеспечивает получение изделий (так называемых репликантов) с различными свойствами.
Изготовление силиконовой формы возможно не только с прототипа, полученного в результате RP-процессов, но и практически с любого изделия. Таким образом, если есть какой-либо предмет, который необходимо копировать в пластике относительно небольшим тиражом, наиболее рационально использовать литье в силиконовые формы. При этом отпадает необходимость в создании чертежей оснастки литьевой формы под изделие и последующего изготовления самой формы. Вообще исчезает необходимость использования литьевой машины.
В некоторых случаях это просто, быстро и удобно. В силиконовой форме можно получить 20–50 качественных отливок изделия.
Вместо силиконовых могут использоваться эпоксидные формы. Это целесообразно в случаях, когда необходимо получить большее количество отливок стандартным методом литья под давлением, но речь не идет о крупносерийном производстве. Эпоксидные формы получаются по той же технологии, что и силиконовые, но предназначаются для литья под давлением. Необходимые каналы для литниковой системы, вентиляции и охлаждения фрезеруются после получения формы. Эпоксидная литьевая форма выдерживает 100–300 отливок. Если же упрочнить ее алюминиевой пудрой во время полимеризации, то такая форма сможет выдержать до 1000 отливок.
Помимо эпоксидных могут быть изготовлены металлические формы, для получения которых используют прототипы. Такие формы получают методом поверхностного осаждения или напыления металла на прототип. В результате получают никелевую или цинковую формообразующую поверхность, которая упрочняется различными способами. Данный процесс нельзя назвать новым, он хорошо известен в полиграфии, когда с печатных форм получают стереотипы. Тем не менее, он также имеет свои преимущества, обеспечивая тиражестойкость до 10 тыс. отливок.
Следует сказать и о технологиях, основанных на спекании порошковых металлов с последующей их инфильтрацией бронзой или медью. Например, технология Keltool (3D Systems) позволяет, получив с прототипа силиконовую форму, ввести в нее смесь стальной пудры, карбида вольфрама и частиц полимера со средним размером частиц около 5 нанометров. После этого проводится процесс спекания с замещением полимера медью. В результате получают форму, состоящую на 70% из стали и на 30% из меди. Полировка формы и фрезерование литника, системы охлаждения и вентиляции проводятся дополнительно. Форма, полученная по такой нанотехнологии, способна выдержать свыше миллиона циклов. Аналогичными Keltool являются технологии RapidTool (DTM), Eosint Metall (EOS), Three-Dimensional Printing of metal parts (Soligen). Таким образом, говорить об альтернативных технологиях быстрого производства литьевой оснастки для получения «небольших серий» изделий в последнее время становится все более некорректно. Форму, выдерживающую миллион циклов, трудно назвать мелкосерийной.
Следует отметить, что процесс подготовки производства пластикового изделия постепенно сокращается. Эту тенденцию наглядно можно видеть в таблице 1. Хотя разбивка на этапы несколько утрирована (например, в некоторых случаях прототипов может быть множество — прототип первой, второй, третьей и т. д. серии), однако в целом она верно отображает тенденцию изменения подготовки литьевого производства.
Таблица 1. Подготовка серийного производства пластикового изделия
|
Вчера
|
1. Создание компьютерной модели изделия
2. Проектирование литьевой оснастки для получения прототипа
3. Изготовление литьевой оснастки
4. Получение прототипа, проведение испытаний, корректировка модели изделия
5. Корректура в проекте литьевой оснастки или повторное проектирование
6. Изготовление комплекта литьевых форм для производства
|
Сегодня
|
1. Создание компьютерной модели изделия
2. Получение прототипа, проведение испытаний, корректировка модели изделия
3. Проектирование литьевой оснастки
4. Изготовление комплекта литьевых форм для производства
|
Завтра
|
1. Создание компьютерной модели изделия
2. Получение прототипа, проведение испытаний, корректировка модели изделия
3. Получение прототипа второй серии
4. Изготовление комплекта литьевых форм с прототипа для производства
|
Действительно, использование программного обеспечения для создания моделей изделия на компьютере и новых технических средств дает конструкторам больше возможностей за короткое время воплотить идеи в реальные продукты. Применение же современных технологий по созданию оснастки, стойкой к тиражированию, существенно упрощает путь от проекта к серийному производству. Кроме того, описанные в данной статье методы дают возможность гибко ориентировать производство в зависимости от потребностей рынка в условиях жесткой конкуренции.
|
Полимеры-Технологии
