Прототипирование на новом уровне

Сегодня профессионалов трудно удивить такими понятиями, как «прототипирование» или «быстрое прототипирование».
Однако при этом каждый говорящий вкладывает в них свое содержание. Зачастую именно от точного понимания смысла данных слов зависит качество выполнения заказа. Между тем молдмейкерская практика показывает, что в большинстве случаев клиенты, у которых возникает потребность в создании прототипа, не понимают, что они должны получить и для чего. Автор статьи предлагает разобраться в значениях этих терминов и выяснить, какие преимущества дает технология прототипирования
Алексей КУТЯЕВ, к.т.н., генеральный директор студии промышленного дизайна Art Up

Прототипирование  на новом уровне, SLA, спекание полиамида, что такое прототип

Договоримся о понятиях
Как утверждают открытые источники информации, слово «прототип» происходит от греческих от «первый» и «впечатление». С первой частью термина понятно: действительно, прототип является ранним образцом или моделью, построенной для проверки концепции, конструкции или процесса. Вторая же часть — «впечатление» — именно и есть суть, ради которой все задумывается. Уже на этапе подбора типа прототипирования следует точно ответить на вопросы, зачем и для чего прототип будет использоваться. Прототипирование сегодня можно использовать практически повсеместно: для быстрой реализации идей и фантазий, как уникальный вид производства, в качестве полнофункциональных моделей и образцов, для различных сфер применения.
Но есть некоторые тонкости. Мы все привыкли думать, что «прототип» — это производная  от слов «прототипирование» или даже «быстрое прототипирование». Однако стоит разделить эти понятия.

Прототип — прежде всего какой-то физический объект-образец, модель, макет. Прототипирование — процесс создания (с применением определенных методов или технологий) какого-то физического объекта для конкретных целей. Последнее указание немаловажно, так как именно здесь и кроется суть вопроса. «Быстрое прототипирование» — буквальный перевод на русский английского словосочетания rapid prototyping, обозначающего определенную технологию прототипирования. Существует заблуждение, внедренное продавцами данной специализированной техники, что быстрое прототипирование осуществляется исключительно на 3D-принтерах. Согласиться с этим так же неверно, как и полагать, что широко распространенная технология SLA (стереолитография) является печатью. Необходимо понимать, что быстрое прототипирование — это не исключительно печать на «волшебных» принтерах, а всего лишь разновидность процесса прототипирования, базирующаяся на переносе материала из резервуара на плоскость создания модели в рабочей зоне установки.

3D-печать. Остановимся на доступных сегодня и наиболее популярных технологиях создания прототипов.
Пожалуй, на сегодняшний день трудно выделить какую-то отдельную технологию, которая  могла быть, как раньше, а именно 5-7 лет назад, превалирующей и безупречной, такой, какой была или казалась в силу своей распространенности все та же SLA. Технический прогресс породил массу альтернативных способов получения прототипов.

SLA. Преимущества стереолитографии: высокая точность и скорость; великолепное качество внешней поверхности и высокий уровень деталировки моделей.
Различные механические и оптические свойства применяемых современных материалов расширяют границы применения SLA. Данная технология — идеальное решение для:
получения прозрачных (без желтоватого мутного цвета) деталей;
проверки проектов до запуска производства технологической оснастки и инструментов для исключения ошибок проектирования;
изготовления сложных деталей и их частей, которые невозможно произвести другим способом;
производства визуальных опытных образцов для демонстрации и показов;
получения опытных образцов для функционального тестирования;
создания эталонных образцов (моделей) для контроля производства технологической оснастки и мастер-моделей для литья в силиконовые формы.

FDM. Объект формируется путем послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, воск). Рабочий материал подается в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого объекта.

Лазерное спекание порошков (SLS — Selective Laser Sintering). Лазерный луч последовательно спекает порошковый материал по контуру отдельного слоя. Быстрое прототипирование изделий из металла и керамики происходит именно этим методом. К преимуществам стоит отнести высокие эксплуатационные свойства используемых материалов.

Multi-Jet Modeling (MJM). Принтер имеет различные режимы изготовления моделей. Благодаря комбинированию этих режимов и использованию каждого из них в зависимости  от необходимости выращиваемый объект на выходе обладает беспрецедентным качеством детализации, полностью отвечающим заданным параметрам и ожиданиям пользователя.
Гладкие наружные поверхности восковых моделей позволяют сократить расход материала и трудоемкость на этапе механической обработки.
Модельным материалом для этих машин является акриловый фотополимер, материалом поддержек — воск. Размеры рабочей камеры, например, принтера ProJet DP 3000 вполне достаточны, чтобы моделировать относительно крупные (до 30 см) объекты.
Все перечисленные технологии можно отнести как раз к разряду 3D-печати.

Прототипирование  на новом уровне, SLA, спекание полиамида, что такое прототип

При анализе методик стоит все-таки понимать, что мы имеем дело с далеко не совершенными с точки зрения конструкционных свойств материалами, используемыми во всех перечисленных технологиях. Суть проблемы кроется в том, что все эти материалы лишь имитируют свойства того или иного конструкционного материала. И хотя FDM-технология позволяет использовать АБС-нить для создания моделей, прочность данных моделей является весьма далекой по своим физическим свойствам от полноценного АБС-пластика, изготовленного методом литья под давлением или экструзии.
Столь разительное несоответствие является следствием особенности укладки материала в виде тонкой нити последовательно и поэтому серьезно сдерживает применение данного вида прототипирования для получения деталей, которые будут испытывать нагрузки в различных направлениях.
В реальной практике решение задач по созданию прототипов ставит жесткие требования по их физико-механическим свойствам. Поэтому считать, что можно сделать полнофункциональный рабочий прототип, используя лишь перечисленные методы, в корне неправильно. В этой связи любой компанией, занимающейся прототипированием, во главу угла при создании прототипов стоит прежде всего ставить цели или назначение того или иного прототипа.
Исходя из заданных инженером параметров формируется «таблица применяемости»,  которая позволяет получать информацию о заложенном в конструкцию конечного продукта материале и сопоставлении его с материаламизаменителями (имитаторами).

 

Прототипы из заготовок
Другим способом получения прототипов является обработка заготовок на 3-координатных обрабатывающих центрах с ЧПУ методом фрезерования. Данный вид получения прототипов на сегодня дает возможность более быстрого производства деталей с максимальными размерами до 1800.600. 500 мм, что недоступно в большинстве случаев  на 3D-принтерах. Но самым главным отличием или, можно сказать, разумным дополнением является то, что для фрезеровки используется цельная заготовка (например, АБС-блок), гарантирующая характеристики изделия, сравнимые со свойствами пластмассовой детали, изготовленной по технологии литья под давлением.
Стоимость фрезеровки обычно значительно ниже по сравнению с другими технологиями  производства изделий. А точность современных обрабатывающих центров позволяет делать детали прецизионного уровня.
Гибкость настройки станков и опыт оператора дают возможность получать тонкостенные детали, используя в том числе двухстороннюю обработку. Крупногабаритные детали изготавливаются с помощью последовательной стыковки более мелких деталей. Грамотное проектирование процесса обработки и ее точность позволяют производить даже детали с так называемыми поднутрениями.
Сегодня есть возможность произвести прототипы из множества материалов, пригодных
для механической обработки: МДФ, пенополистирола, пенопласта, полированного и черного АБС, поликарбоната, акрила, полиамида-6/66, ПОМ, ПП, ПЭ, тефлона, полифенилена, полифениленсульфида, полифениленоксида, полиэфирэфиркетона, полиэфирэмида, полиамидимида, полиэфирсульфона и других пластиков.

Однако в настоящее время недостаточно иметь в распоряжении только привычные пластики — при создании конструкционных элементов и макетов требуется применение  таких материалов, как:

  • металлы (алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, цинк, латунь, медь, бронза);
  • цирконий и циркониевая керамика. Свойства этого металла идеальны для ювелирных изделий и деталей часов. Сплавы циркония обладают отличными характеристиками — они легкие, очень прочные, гипоаллергенные;
  • керамика с различными химическими и физическими свойствами (с высоким удельным электрическим сопротивлением, пределом прочности на сжатие, стойкостью в окислительных средах, а также высокой огнеупорностью);
  • кварцевое стекло.

В ряде случаев, если необходимо получить функциональный макет или прототип с высоким качеством внешней поверхности, используется дополнительное аэрозольное покрытие, включая такой его популярный тип, как soft-touch. Достаточно указать желаемый цвет изделия по каталогу RAL и текстуру поверхности (глянец, полуглянец, матовая) при оформлении заказа.
Для покраски деталей используются аэрозольные краски с высокой степенью адгезии к полимерным материалам и износостойкостью.

Литье в силиконовые формы.
Задача получения малой серии деталей (до 100 штук) из пластиков решается путем применения литья полиуретановых смол в силиконовые формы под вакуумом. Ключевые преимущества этой технологии — малые затраты времени и умеренная стоимость по сравнению с изготовлением алюминиевых или металлических пресс-форм.

Литье в силиконовые формы — идеальное решение для выполнения следующих задач:
— получение опытных образцов и маркетинговых моделей;
— изготовление малой серии деталей;
— сжатые сроки выполнения заказа;
— получение деталей очень высокого качества или с возможностью финишной доработки поверхности;
— производство больших и мелких деталей весом от нескольких граммов до нескольких килограммов;
— возможность широкого выбора цветов и текстур (например, шероховатости);
— гарантия умеренной себестоимости единицы продукции.

Широкий выбор полиуретановых смол, близких по своим физико-механическим свойствам к термопластам, позволяет получать качественные модели при литье в силиконовые формы. Также используются такие материалы, как АБС, полиамид, полипропилен, полиэтилен, прозрачный поликарбонат и акрил, резины и эластомеры.
В заключение необходимо отметить, что только комплексный и взвешенный подход к  созданию прототипа может решить массу проблем на этапах его создания и использования  и гарантировать, что те задачи, для которых задумывался прототип, будут реализованы в  полной мере.

A new level of prototyping
Alexey Kutyaev
Nowadays the such terms as prototyping of rapid prototyping are common among professionals. However every person have his own sense of those words. In many cases the accurate understanding of those words are crucial for order fulfillment quality while the practice of mold-making shows the most customers do not understand what their prototype would be like and what do they need it for. The author suggests to make sense of all the meanings of the terms and to examine the advantages of prototyping technologies.