|
|
PR наоборот, или Как отливают в современных условиях |
Текст впервые опубликован в журнале Подводная лодка N7, 2002. |
| Многие ли задумывались над тем, насколько больше пользы было бы от ксероксов или принтеров, если бы вместо красивых изображений предметов они могли «печатать» сами предметы? Нарисовал на компьютере чертежик, нажал кнопочку — и на лоток выезжает готовая бутылка пива… Как ни странно, это давно уже не фантазии. Правда, речь идет пока исключительно о промышленных установках. Единого названия для них еще не существует, но сам процесс, позволяющий быстро изготовить трехмерный объект по его математической модели, именуется технологией быстрого прототипирования. |
  Цикл создания любого нового изделия, будь то телефон, автомобиль или заколка для волос, состоит из множества стадий от первоначального замысла конструктора до запуска в массовое производство. Не последнее место в этой сложной цепочке занимает процесс получения опытных образцов или отдельных деталей новинки. Несмотря на всю мощь современных компьютеров, способных, к примеру, заранее вычислить аэродинамические показатели того же автомобиля, только готовое изделие можно подвергать испытаниям в реальных условиях. Компьютерную модель в аэродинамическую трубу ведь не засунешь, не говоря уже о чисто визуальном восприятии. Внедрение CAD-систем (Computer-Aided Design), или по-нашему САПР (системы автоматизированного проектирования), позволило в несколько раз повысить эффективность труда конструкторов, избавив их от многократной перекройки чертежей и прочей рутины. Правда, еще приходится программировать станок и создавать необходимую оснастку для обработки опытных образцов. Причем оснастка — это ведь не веник, а зачастую довольно сложная конструкция, которую опять же надо спроектировать и, самое главное, изготовить. Получается, что стоимость производства одного экспериментального образца невероятно высока, а сроки — недопустимо растянуты (особенно при современных темпах развития промышленности). А если требуется несколько различных образцов? Куда девать ненужную более оснастку? И вообще, как бы все это выполнять быстрее, еще быстрее, совсем быстро? |
| Исходя из таких соображений, с 1980-х гг. стали развиваться новые технологии производства. При традиционном методе внешний вид заготовки изменяется в результате удаления лишнего материала (точение, фрезерование) или в процессе деформации (штамповка, ковка). Новый подход заключается в постепенном «выращивании» необходимой детали слой за слоем за счет изменения фазового состояния вещества (как правило, используется переход из жидкой фазы в твердую). В итоге он получил название технологии быстрого прототипирования, или RP (Rapid Prototyping). |
Как оно работает
Первые серийные RP-установки основаны именно на последнем принципе. Полимеризация особого жидкого вещества под действием сфокусированного лазерного излучения лежит в основе способа, который получил название лазерная стереолитография (ЛС). Слово «стерео» подчеркивает объемный характер процесса, который еще в 1984 г. предложил Чарлз Холл (Charles Hall): специальная жидкость (ФПК — фотополимеризующаяся композиция) заливается в бак, в котором слой за слоем происходит «выращивание» детали. Луч лазера последовательно обходит определенные точки на поверхности исходного материала, и энергия сфокусированного света вызывает точечную полимеризацию, образуя фрагменты будущего изделия. После получения одного слоя деталь постепенно опускается в бак до тех пор, пока не будет полностью сформирована. Затем избыточная жидкость сливается, а полученный результат можно просто вынуть и потрогать руками. В зависимости от проекта выращивают детали практически любых форм и размеров, которые в свою очередь ограничены только габаритами бака (хотя никто не мешает выращивать детали по частям и затем склеивать). Точность изготовления образцов, зависящая от используемой полимерной композиции и точности системы позиционирования, составляет величину порядка 0,1 мм, что считается вполне приемлемой погрешностью. Недостатками ЛС являются неизбежная деформация формы детали и невозможность использования металлов в качестве исходных материалов. Кроме того, актуальна проблема поддержек, которые необходимы в тех случаях, когда для части нового наращиваемого слоя отсутствует опора в виде предыдущего. Другое семейство технологий по праву носит название трехмерной печати, так как их принцип более всего напоминает работу обычного струйного принтера. Технология послойного наплавления разогретой полимерной нити (FDM — Fused Deposition Modeling) фирмы Stratasys предусматривает применение специального термопластика, который выдавливается из «печатающей» головки при определенной температуре. Как и в случае со стереолитографией, здесь для нависающих элементов детали используются опоры, которые потом удаляются. Материалами для создания моделей могут быть специальный ABS-пластик, его медицинская модификация ABSi, литьевой воск, полиэфирный эластомер Е20. Похожую технологию использует и фирма Solidscape. В ее аппаратах ModelMaker и PatternMaker для обеспечения необходимой гладкости встроена специальная фреза, которая снимает излишек материала после формирования очередного слоя. При этом вначале формируются внешние контуры слоя по периметру, а затем уже материал заполняет внутренние участки. |
 А вот трехмерная печать, разработанная в знаменитом MTИ (Массачусетском технологическом институте), позволяет не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их. Технология основана на использовании мелкодисперсного порошка (крахмал или гипс), который связывается в твердое тело специальным веществом. Поскольку формируемая деталь целиком погружена в порошок, нет необходимости в создании поддержек. После завершения формирования образец извлекается из рабочей камеры и очищается от излишков порошка. Изделие может быть также пропитано воском для придания дополнительной прочности или подвергнуто механической обработке.На этом список технологий быстрого прототипирования не исчерпывается. К ним относятся и послойное уплотнение, и послойная заливка экструдируемым расплавом, и синтез баллистическими частицами, и вакуумное и центробежное литье (удивительно, сколько бывает умных слов). Не будем, однако, утомлять читателя излишними техническими подробностями. Особо интересующиеся лазерным спеканием и прочими мудреными ноу-хау могут ознакомиться с материалами, помещенными на врезках, а мы перейдем к примерам практического использования. |
Кому оно надо
|
  Стереолитография нашла свое применение и в медицине. Тело каждого из нас состоит из уникальных «деталей» — череп, кости, хрящи, внутренние органы и т. д. Опытный медик по форме костей может диагностировать многие болезни и аномалии развития организма. Но как, например, проникнуть в череп пациента, чтобы вскрытие не показало, что больной умер от вскрытия? Тут на помощь приходит синтез нескольких передовых технологий. Вначале строится томограмма какого-либо органа пациента. Потом на основе ее показаний готовится компьютерная трехмерная модель, которая преобразуется в электронный формат, понятный для RP-установки. В итоге на свет появляется копия исходного органа. Она попадает в «лапы» эскулапов, которые выносят свой вердикт, ибо «доктор лучше знает, больной вы или здоровый». Подобная методика практикуется, например, в Детском госпитале им. святого Владимира. Такие модели оказывают неоценимую помощь в подготовке операций практически на любой части тела. К помощи ЛС прибегают кардиологи, стоматологи, хирурги-ортопеды, радиологи для проведения до- и послеоперационного анализа хирургического вмешательства, не говоря уже о том, что модели реальных органов являются незаменимыми пособиями в учебном процессе.
|
| Установки быстрого прототипирования применяются при создании новых конструкций практически в любом промышленном производстве. С их помощью оценивают качество и точность сборки отдельных компонентов, разрабатывают концепт-дизайн новых товаров. Время проектирования и подготовки к производству сокращается в несколько раз, что критично в условиях жесткой конкурентной борьбы. То же самое относится и к расходам на конструирование и доведение эскизного проекта до ума. Облегчается труд инженеров, да и заказчики могут по срокам гораздо раньше подержать в руках образцы будущей продукции. |
| К сожалению, техника быстрого прототипирования пока не имеет бытового применения. Уж больно она дорога и места много занимает. Но если чуть-чуть помечтать, и дома для трехмерного принтера найдется немало работы. Совсем неплохо самому придумать и «напечатать» в подарок любимой вазочку оригинальной формы или ребенку детские кубики в форме додекаэдров с собственными рисунками. Если развитие высоких технологий пойдет с присущей им скоростью (напомним, первый лазерный принтер стоил несколько сот тысяч долларов), возможно, через десяток лет Epson будет продавать домашний Photo 3D Stylus за какую-нибудь сотню «зеленых», а вездесущая Microsoft включит 3D Paint в поставку Windows 2010… |
Даешь 3D-принтер в каждый дом!
Аппарат Sinterstation SLS2000 фирмы DTL Inc. использует несколько иной рабочий принцип — селективное лазерное спекание, предусматривающий уже совсем иные габариты (вес 2 т, мощность свыше 15 кВт). В процессе формирования детали в камере поддерживается инертная атмосфера (аргон или азот) для предотвращения окисления материала. Точность — от 0,5 до 0,01 мм. Интерес вызывает предложение компании Z Corporation — трехмерный цветной принтер Z406, способный со скоростью около 2500 см3/ч формировать детали, раскрашенные произвольным образом с 24-битной глубиной цвета в RGB-палитре. При массе около 200 кг и потребляемой мощности 900 Вт он не займет много места в любом конструкторском бюро — габариты составляют всего 100x80x110 см, т. е. примерно как солидный ксерокс. Но где вы видели ксерокс, который печатает цветные крyжки по индивидуальным проектам? Кстати, командование американской армии всерьез подумывает о закупке подобных принтеров. Крyжки, конечно, никто солдатам печатать не даст, а вот по-быстрому заменить стратегически важную часть боевой машины — это заманчиво. Воображение живо рисует картину:
|
Многоликая RPОдной из разновидностей ЛС является масочная стереолитография (исторически она возникла первой), при которой используются ультрафиолетовые или галогенные лампы. При этом засвечивается весь слой целиком через специальные маски, которые изготавливаются индивидуально для каждого слоя. Это немного усложняет процесс формирования образца, к тому же возникает проблема с утилизацией отходов. Однако ЛС является не единственным способом изготовления объектов произвольной формы. Одна из альтернатив — получение объемных изделий из листового материала. Устоявшегося русскоязычного термина для данного метода пока не существует, а по-английски он называется LOM — Laminated Object Manufacturing. Листовой материал (полимерная пленка или металлическая фольга) разрезается лучом лазера на отдельные части, которые затем собираются в готовый объект при помощи клея или сварки. Несмотря на то, что таким образом можно получать не только пластмассовые, но и металлические детали, существуют проблемы, связанные с утилизацией обрезков (в случае ЛС отходов практически нет), а также с надежным соединением отдельных слоев. Кроме того, в этом случае сложность самой детали ограничена. Еще одним популярным методом является селективное лазерное спекание, который был предложен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г. Он похож на стереолитографию, но в качестве рабочего вещества используются металлические, керамические или полимерные порошки, которыми заполняют ванну для синтеза и нагревают до температуры чуть меньшей порога плавления. Луч лазера избирательно нагревает точки на поверхности, формируя твердый спекшийся слой. После создания очередного слоя растущая деталь погружается вглубь порошка, поверхность которого разравнивается специальным валиком. Процесс повторяется до получения хорошего результата, а избыточный материал впоследствии удаляется. Достоинствами данного метода являются дешевизна и широкий диапазон исходных материалов. Однако из-за пористой структуры порошка прочность изделия оставляет желать лучшего. К тому же образцы имеют высокую шероховатость и плохо поддаются механической обработке, а из-за неоднородности порошковых материалов плотность детали может сильно варьироваться. |
Современные RP-технологии (не путать с PR-технологиями) основаны на разных физических принципах. Они предусматривают и лазерную резку листовых материалов, и спекание металлических, керамических или полимерных порошков под действием излучения, и полимеризацию, инициированную пучком света.
Быстрое прототипирование практически безальтернативно, если необходимо сконструировать единичные детали сложной формы. К примеру, в 1998 г. НИИТавтопром получил заказ от АО «Москвич» на изготовление панели приборов для пилотного образца новой модели автомобиля. Полный цикл работ традиционным способом оценивался специалистами в 5–6 месяцев. Применение ЛС позволило сократить этот срок до 30 дней (включая создание компьютерной модели, собственно выращивание деталей и выполнение окончательной обработки). Другим примером значительной экономии времени является спроектированная тем же институтом оснастка для изготовления перчаток космического скафандра. Несмотря на то, что космонавты большую часть своей сознательной жизни проводят не на Земле, они по-прежнему очень похожи на обычных людей, а следовательно, размеры рук одного отличаются от аналогичных параметров другого. В связи с этим потребовалось создать несколько разных комплектов оснастки. Получение такого сложного объекта, как модель кисти человека, заняло бы до двух месяцев работы пятикоординатного фрезерного станка с ЧПУ (на каждую руку). Применение ЛС позволило уложиться в одну неделю, при этом все восемь заказанных моделей (четыре пары) были выращены в одном технологическом цикле за 37 ч.
В Институте проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН создан отечественный экспериментальный лазерный стереолитограф ЛС-250/Э. При размерах 170x160x80 см и весе около 300 кг потребляемая мощность установки составляет всего 2 кВт, что немногим больше бытового электрочайника. Изготовление одного образца занимает от получаса до 8 часов в зависимости от сложности. В качестве исходных данных используются файлы в формате STL, DXF, IGES (подготовленные в таких известных приложениях, как AutoCAD, CATIA, EUCLID и т. п.) или томограммы объектов, в т. ч. биологических. Для выращивания биологически совместимых объектов малых размеров предназначена другая установка ЛС-100/2. Ее точность достигает 0,05 мм по каждому измерению.