Быстрое прототипирование технических систем

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping – RP) – это новые технологии, активно развивающиеся в проектной производственной индустрии. Предоставляют возможность получать физические детали и модели без инструментального их изготовления, путём преобразования данных, поступающих из CAD-системы (CAD – Computer Aided Design - система автоматизированного проектирования), и получить чертежи и проекты в 3D-представлении, только нажав кнопку.

При завершении работы на CAD-рабочей станции над идеей или проектом, можно дать команду "печать", и в течение нескольких часов, в зависимости от размера, получить физическую модель изделия (рис.9).

По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта, дерева, воска вручную или на станках с числовым программным управлением (ЧПУ)), существовавшими до середины 80-х годов, появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того, чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут получать их через несколько дней или часов.

Рисунок 9. Роль и место PR в процессе проектирования

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.10):

Рисунок 10. Формирование сечений:

а) CAD – данные, б) образование сечений, в) одно сечение

считывание трёхмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твёрдотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами). (Рис. 10а). Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут выдавать файлы STL (рис. 11).

· разбиение трёхмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение (Рис. 10б);

· построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели (рис.10в)

Рисунок 11. STL - файл

Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели.

Работа некоторых RP-систем основана на фотополимеризации – химическом процессе, при котором жидкая смола (полимер) превращается в твёрдый полимер под воздействия на неё ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.

Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов для построения физических моделей. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, образуя слои, последовательность которых образует физическое тело; технологии спекания порошковых материалов под воздействием тепловых процессов; “склеивание” листовых материалов.

На сегодняшний день на рынке существует целый ряд RP машин, значительно отличающиеся по стоимости. Наименьшую стоимость имеют 3D-принтеры, используемые при концептуальном дизайне. Стоимость таких систем начинается с $30 000. Наиболее дорогие – производственно-ориентированные системы, стоимостью около $800 000. Кроме этого, предлагается множество систем для быстрого прототипирования, стоимость которых находится в этих пределах.