Новости

Быстрое прототипирование из ABS в современном литейном производстве точных изделий

Путь от идеи до готового изделия должен быть максимально коротким.
1 сентября 2008

Оперативно реагировать на рыночный спрос выпуском качественных изделий - значит, обеспечить предприятию конкурентные преимущества и стабильный успех.

 

В процессе разработки новой продукции всегда возникает необходимость в опытных образцах или в так называемых “моделях-прототипах” изделия, его отдельных деталей и узлов.

Модели-прототипы требуются различным службам предприятия:

- маркетинговые и рекламные службы могут эффективно проводить исследования рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы разрабатываемого изделия, а также использовать их в рекламных кампаниях;

- дизайнеры и конструкторы могут легко оценивать варианты внешнего вида, эргономику разрабатываемых изделий, проверять собираемость и функциональность конструкции, внося необходимые изменения еще до запуска изделий в производство;

- технологи могут использовать их в качестве мастер-моделей для изготовления традиционной технологической оснастки (в частности, литьевой), а также в технологиях быстрого изготовления опытных партий (например, при использовании силиконовых форм или методов напыления металлов);

- патентные бюро получают преимущество во времени при оформлении патентов на новые разработки и т.д.

Изготавливают прототипы по-разному: на одних предприятиях детали фрезеруют из пластмасс, мягких металлов или дерева на станках с ЧПУ, на других - полагаются на золотые руки умельцев-модельщиков. Но все эти методы требуют задействования производственных мощностей, использования высококвалифицированного ручного труда и, как правило, больших временных затрат. Сегодня есть другая возможность быстро, качественно и недорого изготавливать модели новых изделий, их узлов и деталей - это технологии быстрого прототипирования.

 

Что такое быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) - это послойное построение физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией CAD-модели. Основное отличие этой технологии от традиционных методов изготовления моделей заключается в том, что модель создается не отделением материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части. Модели, выполненные методом RP, могут изготавливаться из различных материалов (в зависимости от применяемой в оборудовании технологии): из пластиков, жидких смол, специальных порошков, различных листовых материалов (бумаги, алюминия и др.). Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов.

Технологии, предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу же востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями. Применение быстрого прототипирования обеспечило им значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку новых изделий к производству, позволив существенно сократить сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ, работ по изготовлению технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.

Впервые технология RP была реализована в конце 80-х годов, когда американская компания 3D Systems вывела на рынок свою первую установку SLA (Stereo Lithography Apparatus), создающую модели методом послойного отвердевания фотополимера под воздействием луча лазера. Начиная с этого времени, различные фирмы принимали участие в разработке оборудования для прототипирования: одни из них совершенствовали разработанный ранее метод, другие предлагали свои оригинальные и эффективные технологии.

Так, американская компания Stratasys, Inc. в 1988 году предложила технологию FDM, а в 1992-м вывела на рынок оборудование, позволяющее быстро изготавливать пластмассовые прототипы. Это оборудование для изготовления прототипов характеризуется отличными техническими характеристиками: точностью изготовления моделей, производительностью, гибкостью выбора моделирующих материалов, а широкий модельный ряд позволяет применять эти устройства как на крупных предприятиях, так и на небольших фирмах.

 

Технология FDM

Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке, расплавленной до полужидкого состояния полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Insight, которое автоматически оптимально ориентирует ее относительно рабочей зоны установки и разбивает на горизонтальные слои. Затем в Insight (тоже автоматически) определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.

Если для построения модели-прототипа использовалась так называемая “поддержка”, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне. Модель, изготовленная с применением этой технологии, называющейся Water- Works, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей. Технология WaterWorks предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями. Кроме того, возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки.

После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка. Это принципиально отличает FDM от RP-технологий других фирм, в соответствии с которыми процесс доводки моделей требует значительных временных затрат и наличия лабораторий, оборудованных специальными системами вытяжки и охлаждения. К недостаткам RP-оборудования можно отнести и использование в некоторых из них дорогостоящих и не всегда безопасных технологий (например, лазеров, химикатов и т.п.).

Оборудование FDM очень удобно в эксплуатации, недорого в обслуживании и позволяет изготавливать модели-прототипы за считанные часы (в зависимости от размера модели). Технология FDM экологически безвредна - для размещения установок Stratasys не требуется никаких специальных условий, так что их можно располагать в непосредственной близости от рабочих мест конструкторов и технологов. В процессе моделирования нет необходимости в контроле со стороны оператора, поэтому установки могут работать в ночное время и в выходные дни.

В установках FDM применяются различные моделирующие материалы: пластики ABS, ABS Plus, ABS-M30 и ABS-M30i, поликарбонат РС, пластик из смеси РС и АВS, полифенилсульфон PPSF (PPSU). Преимущество всех этих материалов в том, что они используются в производстве конечных продуктов, а значит, отличаются точностью изготовления, прочностью и термостабильностью, не деформируются, не дают усадку и не впитывают влагу. Из них можно собирать функциональные модели, способные выдерживать реальные нагрузки.

ABS широко используется в промышленности и известен своими качествами. РС имеет более высокий предел прочности на растяжение, лучшую гибкость и жесткость по сравнению с ABS. Кроме того, модели из РС и PPSF обладают большей стабильностью формы и более высоким порогом тепловой деформации и долговечностью, делая возможным их применение в мелкосерийном производстве. Модели из ABS сохраняют прочность при нагреве до 93°С, из РС - до 125°С, а из PPSF - до 189°С (!). РPSF устойчив к воздействию антифризов, моторных масел, бензина и кислот. PPSF и ABS-M30i имеют сертификаты Министерства здравоохранения США на использование изделий из них в медицинской промышленности.

Установки фирмы Stratasys компактны, просты и недороги в обслуживании, а их механические приводы рассчитаны на безотказную работу на протяжении длительного срока. Для сравнения приведем пример: установкам, использующим в своей работе лазер, требуются ежеквартальные дорогостоящие профилактические работы по наладке и ежегодная замена дорогостоящего лазера. Широкий модельный ряд установок фирмы Stratasys позволяет оптимально подобрать оборудование - по производительности, материалам и размерам изготовляемых моделей-прототипов.

Установки для быстрого изготовления моделей-прототипов фирмы Stratasys активно используются мировыми лидерами в автомобильной, авиационной, медицинской, радиоэлектронной промышленности, в производстве бытовой техники, помогая значительно сократить время, необходимое для обновления модельного ряда продукции и обеспечивая успех в конкурентной борьбе.

Широко применяют быстрое прототипирование и на российских предприятиях. Среди них - владимирский завод "Автоприбор", "Красноярский завод холодильников "Бирюса", "Завод холодильников Snagie" (Литва), Научно-производственный комплекс "Элара" (г. Чебоксары), Концерн "Энергомера (г. Ставрополь), предприятия "Система" (г. Москва), "Автокомпонент" (г. Нижний Новгород), "Уральские радиостанции (г. Ижевск), Центр детской челюстно-лицевой хирургии Института стоматологии (г. Москва) и многие другие.

 

Быстрое прототипирование в литейном производстве

Кроме применения установок FDM непосредственно для создания прототипов разрабатываемых изделий, имеется положительный опыт использования изготовленных на них моделей из ABS и в литейном производстве:

- в качестве мастер-моделей для литья в песчаные формы (стойкость моделей ABS позволяет выполнить 50-150 съемов);

- в качестве мастер-моделей для изготовления силиконовых форм, в которые затем льется восковая модельная масса;

- для замены моделей из восковой массы в литье по выплавляемым моделям небольших партий изделий.

Пример использования последней технологии выявил неоспоримые преимущества: модели из ABS обеспечивают повышенную точность, упрощают подготовительные и вспомогательные операции, сокращаются сроки изготовления и затраты на оснастку. Например, компания Biomet, Inc. (США), начав использовать модели ABS для производства до 50 отливок в месяц, добилась экономии 120 тыс. долл. в год.

 

Литье в оболочковые формы по моделям из ABS

Литье по выплавляемым моделям является одним из самых экономичных способов создания деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях - и единственным методом литья, например, когда детали имеют поднутрения, тонкие стенки или сложную конфигурацию. Обычно для такого метода литья используются модели из восковой модельной массы, изготовленные аналогично литью пластмасс под давлением: модельная масса льется в форму из алюминия. Этот процесс хорошо освоен и используется на практике тысячами литейных производств по всему миру. Однако среди недостатков использования данной технологии для небольших партий изделий следует назвать длительность процесса, начиная с разработки и заканчивая изготовлением, а также высокую стоимость оснастки для производства моделей. В качестве альтернативы моделей из восковой модельной массы могут выступать модели из ABS, изготовленные на установках Stratasys, что дает значительную экономию времени и средств.

Когда изготавливается модельный блок, к ABS-прототипу отливки присоединяются стандартные стояк, прибыли, выпоры из модельной массы, а после этого полученная сборка покрывается слоями керамики - то есть все происходит так же, как при обычном производстве литья по выплавляемым моделям. Затем оболочка помещается в печь для обжига, где модель выжигается, оставляя, возможно, в полой оболочке небольшое количество легко удаляемой (посредством промывки или с помощью сжатого воздуха) золы.

Согласно проведенным лабораторным исследованиям коэффициент теплового расширения моделей из ABS составляет в среднем 0,24%. А при использовании выплавляемых моделей из эпоксидных смол этот коэффициент теплового расширения равен 3,5%. Что касается зольности, исследования показали, что имеет место более быстрое разложение и получается меньшее количество золы при сгорании ABS в воздушной среде в присутствии кислорода, чем без воздуха в атмосфере аргона. При нагреве с кислородом целых 95% образца из ABS сгорело в диапазоне температур от 300 до 400°C, а оставшийся материал полностью выгорел при 575°C. Результаты замера количества остаточной золы дали величину 0,021%.

 

Выводы

При изготовлении небольших партий изделий применение моделей из ABS дает ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией литья по моделям из восковой массы:

- значительно сокращается время подготовки производства литья, поскольку отпадает необходимость проектирования и производства оснастки для изготовления восковых моделей;

- прочность и термостабильность ABS упрощают требования к транспортировке моделей;

- появляется возможность создания тонкостенных деталей;

- расширяется область применения конечной продукции за счет возможности изготовления более точных моделей;

- достигается большая экономичность при мелкосерийном производстве.

Образцы, выполненные из ABS, имеют ряд качественных преимуществ и по сравнению с образцами, полученными другими методами RP, - это чистое выжигание, прочность, стабильность размеров и легкость подготовки образцов.

Правда, ABS в качестве материала для построения модели все же имеет один недостаток: из-за специфики технологии построения создается несколько грубая поверхность модели. Но ведь совершенно очевидно, что какая угодно поверхность, полученная по любой технологии RP, никогда не будет иметь такое же качество, что и восковая модель из формы, - обязательно необходима доработка для получения гладкой поверхности. А прочность и легкость в обработке ABS позволяют, не опасаясь повреждений, улучшить поверхность детали различными методами, включая обработку наждачной шкуркой, пескоструйную обработку, шпатлевку или покрытие воском.

 

В статье применены материалы отчета "Литье в оболочковые формы с использованием моделей из ABS-пластика, полученных на системах быстрого прототипирования FDM" Колина Гульдсена (Rapid Toolworx) и Пола Блейка (Stratasys, Inc.), в котором подробно описывается опыт применения моделей из ABS (включая лабораторные исследования) на шести литейных производствах США и Канады. Для ознакомления с полной версией отчета и за информацией о технологии и установках FDM обращайтесь в компанию Солвер.

(www.solver.ru, www.dimensionprinting.ru)