Nord vrez-wwwНайважливіша конкурентна перевага – це можливість оперативного реагування на зміни. Значно прискорити процес проектування виробів дає змогу впровадження технологій швидкого прототипування.

 

Cистема оперативного реагування на зміни вимог до продукції охоплює прискорені методи проектування, вивчення споживчого попиту на проектовані вироби, оперативну система підготовки й постачання продукції на виробництво. Головне в проектуванні – правильність технічних рішень і вдалий дизайн, що додає виробу привабливості, індивідуальності й фірмового стилю, який легко впізнати. 

У процесі розроблення виробу, особливо на стадії комплексного проектування, важко виявити різні помилки й недоліки в конструкції деталі або вузла тільки на екрані монітора. Скорегувати варіанти продовження процесу проектування, удосконалити кінцевий продукт і, нарешті, прискорити реалізацію ідеї дає змогу реальна фізична модель майбутнього виробу – так званий прототип. Його можна використовувати як концептуальну модель для візуалізації, проведення функціональних тестів, аналізу й дороблювання конструкції. Крім того, прототип може служити майстер-моделлю для виготовлення інструментального оснащення.
В умовах постійного зростання конкуренції контрольні моделі стали для підприємств-виробників незамінними помічниками. Вони дають змогу зменшити витрати на проектування й підготовку виробництва за допомогою виявлення можливих помилок на ранніх стадіях; підсилити зв'язок і взаєморозуміння між проектувальниками й замовниками; скоротити час виходу продукту на ринок. Крім того, прототип може використовуватися з маркетинговими цілями або для визначення вартості виготовлення.

Традиційний спосіб одержання фізичних моделей – виготовлення їх з матеріалів, що легко обробляються вручну або на звичайних верстатах. Але на це витрачається від декількох тижнів до декількох місяців, що, безсумнівно, збільшує й витрати на розроблення виробу і строки випуску нової продукції.
Швидке прототипування (Rapid Prototyping – RP) – це нові технології проектної й виробничої індустрії, що дають змогу швидко перетворювати комп'ютерні (віртуальні) моделі в цілком реальний, фізичний об'єкт без інструментального виготовлення й механічного оброблення матеріалів. Процес виготовлення прототипу виробу грунтується на обробленні даних, що надходять із CAD-системи. Використання швидкого прототипування допомагає скоротити строк виготовлення моделі в 10 – 100 разів.
По завершенні роботи над ідеєю або проектом у CAD-програмі досить дати команду «виготовити», і протягом декількох годин або днів (залежно від розміру прототипу й типу використовуваного обладнання) фізична модель виробу буде готова.

 

Технології швидкого виготовлення прототипів

 

В основі технологій RP полягає фізичне «вирощування» моделі прототипу.
Мета технологій – максимально скоротити час виготовлення дослідних зразків виробів і, таким чином, кардинально змінити строки освоєння нової продукції у виробництві.
Галузь систем швидкого виготовлення прототипів почала розвиватися двадцять років тому, коли в листопаді 1987 року компанія 3D Systems (США) представила свою установку стереолітографії – SLA-1 (Stereo-Lithography Apparatus). Сьогодні використання RP-систем дуже поширене в промисловості США й Західної Європи, а компанія 3D Systems – один з лідерів у цій галузі.
Освоєння й поширення RP-технологій стало можливим зі з'явленням потужних графічних пакетів з твердотілого тривимірного проектування. Сьогодні серед найбільш функціональних, продуктивних і широко використовуваних пакетів з 3D-графіки є Pro-Engineer і Solid Works.
Усі сучасні системи швидкого виготовлення прототипів за своїм принципом працюють однаково, а саме:
- зчитування тривимірної геометрії у форматі STL (зазвичай твердотілі моделі або моделі із замкнутими поверхневими формами);
- розбивання тривимірної моделі на поперечні перерізи;
- побудова із синтетичних матеріалів перетинів деталі шар за шаром знизу вверх доти, доки не буде отримано фізичний прототип.


doneck nord 0-wwwОтриманий прототип може використовуватися як концептуальна модель для аналізу конструкції, дає змогу конструкторам доробити виріб та провести деякі функціональні тести, а також може служити майстер-моделлю для виготовлення інструментального оснащення. Працюючи із системами RP, розробник може усувати недоліки на ранньому етапі проекту, скорочуючи, таким чином, час виходу продукту на ринок. Кожна фірма-розробник має свою технологію процесів швидкого виготовлення прототипів. Нижче наведено найпопулярніші сьогодні у світі технології:

Stereolithography (SLA)
Основним у цьому процесі є ультрафіолетовий лазер, що послідовно переводить поперечні перерізи моделі на поверхню ємності зі світлочутливою смолою. Рідкий пластик стає твердим тільки у тому місці, де пройшов лазерний промінь. Потім новий рідкий шар наноситься на ПАТверділий шар, і новий контур намічається лазером. Процес повторюється до завершення побудови деталі.

Selective Laser Sintering (SLS)
Це процес створення тривимірних об'єктів з порошкових матеріалів спіканням за допомогою СО2-лазера. Потрапляючи на тонкий шар порошку, лазерний промінь спікає частки порошку й формує тверду масу, що визначає геометрію деталі. Як матеріали використовуються полістироли, поліаміди, полікарбонат і метали.

Multi-Jet Modelling (MJM)
Основою цього процесу є друкувальна головка, що складається з 96 сопел, розміщених рівномірно над усією платформою будування. Кожне сопло активізує електричний сигнал, який керує розподілом термополімерного матеріалу. Друкувальна головка робить зворотно-поступальний рух (як у принтері), викладаючи шар за шаром, які, тверднучи, формують деталь. Після побудови чергового шару деталі об'єкт переміщається донизу на товщину одного шару. Щоб виготовити деталі, більші за розмірами, ніж друкувальна головка, їх може переміщувати горизонтально.

Ballistic Particle Manufacturing (BPM)
Цей процес грунтується на роботі п'єзоелектричної одноголівкової струминної системи, що вистрілює мікроскопічні часточки рідкого термопластику за балістичною траєкторією. Краплі попадають у точно визначене місце, застигають і таким чином утворюють деталь. У цьому випадку не потрібно формувати підтримувальні елементи та використовувати розчинники або щось доробляти.

Drop-on-demand InkJet Plotting Technology
За цією технологією використовується підсистема з двома соплами, розміщена на програмно керованій каретці, що переміщується горизонтально. Підсистема наносить на спеціальну основу термопластичні й воскові матеріали. Керована каретка регулює вертикальне переміщення фрезерної підсистеми планшетного типу, що забезпечує потрібну висоту, видаляючи зайвий матеріал з оброблюваного шару.

Fused Deposition Modelling (FDM)
У цьому процесі термопластичний моделювальний матеріал подається в головку з діаметром вихідного отвору 0,07 дюйма (1,78 мм) з контрольованою температурою, де цей матеріал нагрівається до напіврідкого стану. Головка з високою точністю видавлює матеріал дуже тонкими шарами на фіксовану поверхню, де матеріал твердіє шар за шаром.

Laminated Object Manufacturing (LOM)
Тривимірна модель, спроектована в CAD-системі, розбивається програмним забезпеченням LOMSlice на поперечні перетини. За допомогою енергії лазера вирізається контур кожного перетину. Потім лазер ріже на квадрати зайвий матеріал для полегшення його подальшого видалення. Новий шар матеріалу приклеюється до попереднього шару, і вирізається новий контур поперечного перерізу. Після того як усі шари склеєні й вирізані, зайвий матеріал видаляється й виходить кінцева модель, поверхня якої потім може бути відшліфована, відполірована або пофарбована.

Solid Ground Curing (SGC)
Процес складається з декількох етапів, і починається він з відтворення на скляній пластині за допомогою тонера зображення шару для створення фотошаблону. Потім тонкий шар смоли накладається на плоску робочу платформу, над нею міститься фотошаблон і зверху – джерело ультрафіолетового випромінювання. У результаті короткочасної дії ультрафіолетового випромінювання шар смоли полімеризується. Зайва смола видаляється, і в порожнини, що утворилися, заливається розплавлений віск, що швидко твердіє. Кожний шар фрезерується для одержання гладкої поверхні й точної товщини. Далі деталь знову піддається впливу ультрафіолетового випромінювання для остаточного формування шару. Потім накладається новий шар смоли й процес повторюється.

 

RP-технології, використовувані ПАТ «Укр НДІ ПобутМаш»

 

Проаналізувавши переваги й недоліки різних RP-технологій, ми зупинили вибір на установці SLA-7000 компанії 3D Systems.
Установка лазерної стереолітографії SLA 7000 призначена для швидкого прототипування пошаровим вирощуванням прототипу (що габаритами не перевищує 500 х 500 х 260 мм), розробленого в програмах тривимірного твердотілого параметричного моделювання, з фотополімеру, що полімеризується під впливом випромінювання ультрафіолетового лазера. Кожний вирощуваний шар має товщину 0,1 або 0,15 мм залежно від обраного режиму (EXACT або FAST відповідно). Одержуваний прототип за геометричними параметрами абсолютно ідентичний розробленій тривимірній моделі й за властивостями матеріалу близький до застосовуваного в серійному виробництві полістиролу, що дає змогу використовувати його для виготовлення дизайн-макетів, за якими можна оцінити дизайн і функціональність виробу.
У комплект обладнання для лазерної стереолітографії входять додатково ультрафіолетова камера дополімеризації ProCure 750 і прилад для крапкової дополімеризації деталей OmniCure 1000.
Установка SLA 7000 є одним технологічним модулем, що складається із секції керування й технологічної секції (рис. 1).
Технологічна секція містить ванну для фотополімеру, сервопривод ванни, пристрої контролю рівня фотополімеру у ванні, рекотер (пристрій для розподілення фотополімеру вздовж платформи), вакуумний насос, двоє дверей зі скла, що не пропускає ультрафіолетове випромінювання.
У секції керування встановлені прилади керування стереолітографичної установки SLA-7000. До них належать керувальний комп'ютер, електронні підсистеми керування, сканувальні дзеркала, лазер, джерело живлення лазера, монітор, клавіатура, миша й панель керування.
Як вихідна сировина для вирощування використовується фотополімерна композиція Accura 25 – еластичний гнучкий матеріал, що має властивості поліпропілену.
Тривимірні моделі деталей створюються в програмному середовищі Solid Works 2004–2006, вбудовані засоби конвертують їх у stl-файли (рис. 2), що перетворюють об'ємну деталь в об'єкт, поверхня якого складається з сукупності трикутників.
Потім отриманий stl-файл за допомогою поставленого в комплекті з SLA-установкою ліцензійного програмного забезпечення 3D Lightyear 1.5.1 перетвориться в bff-файл (рис. 3), який являє собою готовий для вирощування набір шарів деталі (або декількох деталей), де взято до уваги підтримувальні елементи, розміщення на платформі установки, режими вирощування й інші параметри SLA-установки.

 doneck nord 1-www  doneck nord 2-www
Рис. 1. Зовнішній вигляд установки лазерної стереолітографії SLA-7000 Рис. 2. Приклад створення stl-файлу в програмі Solid Works 2006
 doneck nord 3-www  doneck nord 4-www
Рис. 3. Приклад створення bff-файла в програмі 3D Lightyear 1.5.1 Рис. 4. Деталі, виготовлені методом лазерної стереолітографії на установці SLA-7000
 doneck nord 5-www  doneck nord 6-www
Рис. 5. Зовнішній вигляд установки для дрібносерійного тиражування MCP 5/04 Рис. 6. Приклад силіконової форми з готовими деталями

 

Безпосередньо процесом вирощування керує інтегрована в SLA-установку програма Build Station 5.51, що контролює всі стадії процесу вирощування. Деякі з вирощених деталей побутових холодильників представлено на рис. 4.
Оскільки вирощування деталей відбувається в середовищі рідкого фотополімеру, по закінченні процесу потрібне очищення готових деталей від залишків смоли. Очищення відбувається вручну за допомогою розчинника.
За необхідності виготовлення деталей більших габаритів (більше ніж 500 х 500 х 260 мм) вирощуються елементи деталей, які потім склеюються фотополімерною смолою за допомогою приладу для крапкової дополімеризації деталей OmniCure 1000.
Додатково до установки лазерної стереолітографії була придбана установка для дрібносерійного тиражування MCP 5/04 (рис. 5), призначена для вакуумного лиття пластмас у силіконові форми.
Установка дрібносерійного тиражування дає змогу виготовити невеликі партії пропонованих до випуску деталей для побутових приладів, що продаються у торговельній мережі, з метою вивчення споживчого попиту. Завдяки цьому знижується ймовірність випуску виробів з низьким рейтингом продажів.
Як майстер-модель для установки MCP 5/04 використовуються деталі, виготовлені на установці стереолітографії SLA 7000. Майстер-модель заливається рідким силіконом, який розрізається після застигання для отримання готової ливарної форми (рис. 6). Для виготовлення виливків із силіконових форм використовується полімер, максимально наближений за властивостями до застосовуваного в серійному виробництві полістиролу.
Отримане силіконове обладнання дає змогу виготовити від ста до тисячі деталей з гарантованою якістю. У комплект обладнання для дрібносерійного тиражування входять додатково дві канальні сушильні камери типу VGO 710 SR.

Використання технології лазерної стереолітографії в ПАТ «УкрНДІПобутМаш» допомогло зробити якісний ривок уперед у рішенні різних конструкторських і технологічних завдань, що сприяє швидкому виходу нових модельних рядів на ринок холодильної техніки.
Використовуючи придбане обладнання, можна завантажити файл з параметрами деталі в установку SLA та вже за кілька годин побачити готовий зразок, що точно відповідатиме оригіналу.
Використання в ПАТ «УкрНДІПобутМаш» технології лазерної стереолітографії в 3–7 разів скорочує час від зародження ідеї до практичного впровадження нових виробів у серійному виробництві.
У рішенні різних конструкторських і технологічних завдань це якісний ривок уперед, що сприяє швидкому виходу на ринок сучасної холодильної та іншої побутової техніки, завоюванню нових сегментів ринку, задоволенню найвибагливіших вимог споживачів.

 

Олександр Горін, д. т. н., академік МАХ, лауреат Державної премії в галузі науки і техніки, зав. кафедри ДонНУЕТ, директор ПАТ «УкрНДІПобутмаш»

Олег Женіков, директор з розвитку донецького заводу «Норд»