Разработки          Услуги          О компании          Контакты  

Материал из биософт-м

Перейти к: навигация, поиск

Компанией БИОСОФТ-М проводятся работы по изготовлению корпусов для медицинского оборудования различного назначения. В рамках этой работы ставится задача рассмотрения различных технологий прототипирования корпусов из пластика.

Цель

Сделать обзор технологий прототипирования корпусов и применяемого при этом оборудования.

Задачи:

  1. Представить наиболее востребованные на рынке технологии изготовления корпусов (прототипирование).
  2. Описать (по возможности) все представленные варианты + используемое оборудование.

ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТОТИПОВ

Создание любого нового изделия начинается с прототипирования. Цель создания качественного прототипа заключается в точном повторении геометрической формы, собираемости, внешнего вида детали и поиска материалов, максимально похожих на заданные. Очень удобны технологии быстрого прототипирования - послойного синтеза макета по компьютерной модели изделия. Такой прототип позволяет оценить внешний вид детали, проверить элементы конструкции, сделать необходимые испытания, получить мастер-модель для последующего литья. RP-технологии в прототипировании значительно сокращают сроки подготовки производства, разрешают отказаться от длительного и трудоемкого этапа изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. Прототип строят, используя твердотельную модель из CAD-систем или модель с замкнутыми поверхностными контурами. При этом модель рассекают на тонкие слои в поперечном сечении, используя специальную программу. Каждый слой имеет толщину, равную разрешающей способности оборудования по z-координате. Обязательно оставляется припуск на механическую обработку. Так деталь послойно строят до получения физического прототипа. Схема всех установок для изготовления прототипов примерно одинакова: тонкий слой материала наносят на рабочий стол, элеватор установки, который воспроизводит первое сечение изделия, далее элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так послойно строится модель нужной формы требуемого изделия. Существует множество технологий прототипирования. Основным различием между ними является прототипирующий материал и способ его нанесения.

Технологии на фотополимеризации – светоотверждении жидкой смолы:

  • SLA (Stereo Lithography Apparatus) – стереолитография, облучение УФ-лазером, 3D Systems, Inc., США;
  • PolyJet – напыление головкой капель смолы и засветка УФ-лампами, Objet Geometries Ltd., Израиль.
  • DLP (Direct Light Projection) – облучение УФ-лампой через DLP-маску, Texas Instruments, Inc., США;
  • MJM (Multi Jet Modeling) – многоструйное напыление смолы и засветка, 3D Systems, Inc., США;

Технологии спекания/склеивания порошков и листовых материалов:

  • SLS (Selective Laser Sintering) – спекание лазером порошков, DTM Corp., США, 3D Systems, Inc., США;
  • InkJet – напыление головкой капель связующего, отверждающего порошок, ExOne Company, США;
  • ZPrinter – трёхмерный бумажный (гипсовый) цветной принтер Z Corporation, Z-Corp., США;
  • LOM (Laminated Object Manufacturing) – склеивание и резка листовых материалов, Helisys, Inc., США.

Технологии тепловой обработки твёрдых материалов:

  • FDM (Fused Deposition Modeling) – выдавливание расплавленной лески, Stratasys, Inc., США;
  • DodJet – напыление головкой нагретого полимера и фрезерование, Solidscape, Inc., США.

В таблице представлены: оборудование, используемая технология, фирма производитель, используемый материал, максимальные размеры рабочей камеры, толщина слоя, наносимого машиной.

Название оборудования Технология Производитель Материал Размер камеры Толщина слоя мм.
Технологии на фотополимеризации
Viper Pro 800
SLA
3D Systems
полимер. смола
1500х750х500
до 0,012
Eden250
PolyJet
Objet
акрил. полимер. смолы
250х250х200
до 0,016
Perfactory Vanquish
DLP
Envisiontec
корич. акрил. полимер
300х254х381
до 0,076
InVision si2
MJM
3D Systems
воск, белый акрил. полимер
298×185х203
до 0,040
Технологии спекания/склеивания порошков и листовых материалов
EOSINT 250/270
SLS
EOS GmbH
полистирол,полиамид/порошки металлов
250×250х185/250x250x215
до 0,02
ProMetal R2
InkJet
ExOne
порошки металлов
203х203х152
до 0,025
Z510
ZPrinter
Z-Corp
крахмал, гипс
356х254х203
до 0,076
XD 700
LOM
Graphtec
ПВХ
304х185х203
до 0,250
Технологии тепловой обработки твёрдых материалов
FDM3000
FDM
Stratasys
ABS
254х254х406
до 0,127
Т612 ВenchTop
DodJet
Solidscape
воскоподобный
305×152x152
до 0,013

Рассмотрим наиболее распространённые технологии изготовления прототипов.

1. Стереолитография (SLA- Stereo Lithography Apparatus).

1.1. Описание технолоогии

Схема лазерной стереолитографии

Это самый первый и наиболее распространенный метод прототипирования. Он имеет достаточно низкую стоимость прототипа. Технология подразумевает использование в качестве модельного материала специального фотополимера – светочувствительной смолы (твердый и хрупкий полупрозрачный материал, хорошо обрабатывается, склеивается, окрашивается, но подвержен короблению под влиянием атмосферной влаги, поверхности имеют хорошее качество). Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Фотополимер затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый слой смолы наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели. Стереолитография – наиболее популярная технология для получения высокоточных моделей. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения, позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения.

1.2. Используемое оборудование

Современные машины обеспечивают шаг построения 0,016 – 0,15 мм. SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также используется для выращивания ювелирных мастер-моделей.

SLA машина Viper Pro
Технические характеристики
Лазер
Тип
Твердотельный с утроенной частотой
Длина волны
354,7 нм.
Мощность
2 Вт.
Система покрытия
Мин. толщина слоя
0,05 мм.
Макс. толщина слоя
0,15 мм.
Способ построения
0.1 мм.
Подъёмник
Вертикальное разрешение
0,001 мм.
Макс. масса модели
75 кг.
Оптика и сканирование
Луч (диаметр)
0,13 мм.
Макс. скорость рисования
3,5 м/с.
Программное обеспечение
Операционная система
Windows XP
Формат файлов
.stl, .slc

1.3. Примеры

Пример мастер моделей по SLA технологии
Пример мастер моделей по SLA технологии

1.4. Видео по SLA технологии

ВИДЕО-1 ВИДЕО-2

2. PolyJet – технология

2.1. Описание технолоогии

Технология быстрого прототипирования PolyJet

Запатентованная технология PolyJet фирмы Objet работает по принципу послойного нанесения фотополимерных материалов на платформу с ультратонким слоем толщиной 16мкм. Управляет этим процессом интуитивно понятная программа Objet studio™. Каждый слой фотополимера отверждается ультрафиолетом сразу после нанесения. Построенные модели не требуют дополнительного отверждения и могут сразу использоваться. Гелеобразный материал поддержек, специально наносимый для поддержки элементов сложной геометрии, легко удаляется с помощью воды или вручную.

2.2. Используемое оборудование

Существует разное оборудование для этой технологии, один из широковостребованных вариантов офисного 3D принтера Eden 250.

Машина Eden 250 для быстрого прототипирования по технологии PolyJet
Технические характеристики
Размер рабочей зоны, мм.
260x260x200
Разрешение по осям X Y Z, dpi
600x300x1600
Материалы, поддерживаемые системой
FullCure 720, Vero, Durus
Толщина слоя
16/30 мкм.
Точность
0,1/0,2 мм. в зависимости от геометрии
Входные форматы
STL, SLC
Размеры системы, мм.
870x740x1200
Вес системы, кг.
280 кг.
Электрические параметры
220В, 1,5кВт.

2.3. Примеры

Пример прототипирования по технологии PolyJet

Пример прототипирования по технологии PolyJet Пример прототипирования по технологии PolyJet

2.4. Видео по PolyJet технологии

ВИДЕО

3. DLP – технология

3.1. Описание технолоогии

Технология быстрого прототипирования DLP

DLP - Digital Light Procession, для построения модели применяется акриловый фотополимер, отверждение всего слоя одновременно УФ-лампой. Процесс, разработан Texas Instruments и используется фирмой Envisiontec (Германия). Установки Perfactory немецкой фирмы Envisiontec строят трехмерные объекты по методу проецирования световых масок.На установках Envisiontec полимеризация материала осуществляется не по точкам, а послойно, по растровым маскам. Благодаря этому скорость построения не зависит от размеров и сложности детали. Скорость построения по Z составляет от 10 до 20 мм в час, в зависимости от толщины слоя.

Фотополимеризация происходит на контактном стекле без клеящих покрытий:

  • Не нужно выравнивать материал и наносить слои
  • Герметичность рабочей камеры предотвращает замедление полимеризации кислородом
  • Контроль экспозиции для поддерживающих структур и нависающих элементов
  • Управление экспозицией устанавливает значение серого = 128 для всех поддерживающих структур и нависающих элементов для облегчения доводки и получения гладкой поверхности

В отличие от других систем быстрого прототипирования, рабочая платформа установок Perfactory не опускается, а поднимается. Это обеспечивает, во-первых, компактность установки (благодаря уменьшению размера ванны с фотополимером); во-вторых, экономится расход материала; в-третьих, построенные слои больше не находятся в контакте с жидким полимером, что ускоряет сушку и снижает коробление. Установки Vanquish имеют опускающуюся платформу. В конце построения каждого слоя платформа покачивается, устраняя натяжение и позволяя полимеру попасть под деталь для создания нового слоя. По окончании построения деталь снимается с платформы и подвергается доводке: дополимеризации под лампой белого света, удалению поддерживающих структур, при необходимости – полировке, склейке и т.д.

3.2. Используемое оборудование

Машина для быстрого прототипирования по технологии DLP
Технические характеристики установки Vanquish немецкой фирмы Envisiontec
Режим стандартного разрешения
Максимальный ZOOM
Минимальный ZOOM
Рабочая область (XYZ) мм.
317,5x254x381
203x162,5x381
Разрешение мм.
0,246
0,157
Точность мм.
0,123
0,078
Оптимальная скорость построения мм./час.
25
25
Режим высокого разрешения
Максимальный ZOOM
Минимальный ZOOM
Рабочая область (XYZ) мм.
317,5x254x381
203x162,5x381
Разрешение мм.
0,144
0,093
Точность мм.
0,072
0,046
Оптимальная скорость построения мм./час.
19
19

3.3. Примеры

Пример прототипирования по технологии DLP

Пример прототипирования по технологии DLP Пример прототипирования по технологии DLP

4. SLS (Selective Laser Sintering) - технология

4.1. Описание технолоогии селективного лазерного спекания

Технология быстрого прототипирования SLS

Согласно этому процессу модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае, в отличие от SLA-процесса, лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессе SLA при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается. Наиболее популярным модельным материалом является порошковый полиамид. Этот материал применяется для создания макетов, масштабных копий, функциональных моделей, т. е. моделей способных выполнить свою функцию, как деталь машины или устройства. Например, детали облицовки салона автомобиля или декоративные элементы кузова. В некоторых случаях полиамид пригоден для исследовательских работ по определению конфигурации какой-нибудь ненагруженной детали, например, впускного трубопровода автомобильного двигателя. Этот материал также удобен для изготовления моделей с целью проверки собираемости сложного узла или для проведения испытаний изделия. Например, модель детали самолета или головка цилиндров ДВС, изготовленные из полиамида, могут быть использованы при проведении газодинамических исследований методами продувки. Ведущими фирмами-производителями SLS-машин являются компании 3D Systems (США) и EOS GmbH (Германия).

4.2. Используемое оборудование

Машина для быстрого прототипирования по технологии SLS
Технические характеристики установки Eosint M270
Максимальный размер рабочей зоны мм.
250x250x215
Скорость построения (мм^3/сек.)
2-20
Скорость сканирования м/cек.
до 7
Толщина слоя в зависимости от материала мкм.
20-100
Используемый материал
Порошки металлов
Формат файлов
STL
Электропотребление (кВт.)
5,5
Вес установки кг.
1130

4.3. Примеры

Пример прототипирования по технологии SLS
Пример прототипирования по технологии SLS

4.4. Видео по SLS технологии

ВИДЕО-1 ВИДЕО-2

5. FDM (Fused Deposition Modeling) – технология.

5.1. Описание технолоогии

Технология быстрого прототипирования FDM

При FDM–процессе - послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал, диаметр которого составляет 0.07 дюйма (1,78 мм), подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния. Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание. Головка выдавливает материал с очень высокой точностью. Последующие слои также ложатся на предыдущие, солидифируются (отвердевают), соединяются друг с другом. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение InsightTM или CatalystTM (ОС Windows XP, 2000, NT 4.0), под управлением которого работают установки FDM. Программа ориентирует модель оптимальным для построения образом, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Через основную фильеру головки поступает моделирующий материал. Вторая фильера отвечает за изготовление поддержки. Последовательное наращивание слоев в результате формируют модель-прототип. Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки. Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивая отдельные части). Точность изготовления моделей-прототипов на установках Stratasys достигает 0,127 мм, что сравнимо с точностью пластмассовых деталей, изготовленных в обычных инжекционных пресс-формах. Установки FDM работают с различными моделирующими материалами: пластиками ABS, ABS Plus, ABS-M30 и ABS-M30i, поликарбонатом РС, пластиком из смеси РС и АВS, полифенилсульфоном PPSF (PPSU). Преимущество 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. Основным недостатком метода является сравнительно невысокая точность, а также низкое качество и сложность обработки поверхности.

5.2. Используемое оборудование

Машина для быстрого прототипирования по технологии FDM

Технические характеристики установки FDM2000
Максимальный размер рабочей зоны мм.
245x245x245
Точность позиционирования головки мм.
0,25

5.3. Примеры

Пример прототипирования по технологии FDM

Пример прототипирования по технологии FDM Пример прототипирования по технологии FDM Пример прототипирования по технологии FDM Пример прототипирования по технологии FDM Пример прототипирования по технологии FDM

5.4. Видео по FDM технологии

ВИДЕО-1 ВИДЕО-2

Заключение

Все технологии, основанные на фотополимеризации (SLA, PolyJet, DLP), имеют высокоточные и качественные модели, но нестабильные со временем размеры (коробление, особенно на свету). Нестабильность размеров можно обойти, если сразу собирать макет, не давать деталям лежать по-отдельности. Спекание порошка SLS и тепловая обработка FDM - более стабильная геометрия, но качество поверхности модели хуже. Качество поверхности SLA и FDM можно (и нужно) улучшить дальнейшей шлифовкой и полировкой, SLS – обрабатывается плохо. Если необходима мастер-модель под силикон, то лучше использовать SLA-технологии - меньше ручного труда с доводкой и соответственно более точный результат. Если нужны конструктивные макеты (несущие нагрузку), то только FDM и SLS. Детали, изготовленные по FDM технологии получаются более слоистыми, чем по SLS технологии и при неполной химобработке могут расслаиваться. В силу дешевизны и отработанности метода, мастер-модели SLA часто используют для изготовления силиконовых форм (в вакуумной камере), в которые потом можно отливать пластмассу для получения практически любых по прозрачности и упругим свойствам деталей. Ниже в таблице представлены технологии прототипирования, указаны фирмы производители и стоимость выращивания прототипа на примере одного корпуса прибора.

Название технологии прототипирования
Изготовление силиконовой формы
Качество поверхности
Стоимость прототипа корпуса прибора
Фирма изготовитель
SLA
ДА
ХОРОШЕЕ
17600
RP-SALON
PolyJet
ДА
ХОРОШЕЕ
27500
STL3D
DLP
ДА
ХОРОШЕЕ/СРЕДНЕЕ
15000
pry@bk.ru
SLS
НЕТ
СРЕДНЕЕ
20800
INVENT3D
FDM
НЕТ
СРЕДНЕЕ
-
-

Для мелкосерийного изготовления корпусов приборов (и других деталей из пластмассы) наиболее оптимальным выбором будет использование SLA технологии прототипирования с последующим использованием литья в силиконовые формы. Для крупносерийного производства лучшим выбором будет литье пластмасс под давлением с использованием стальной пресс-формы. Необходимо отметить, что окончательная стоимость изготовления прототипа зависит от выбранной фирмы изготовителя.

www.biosoft-m.ru



Просмотры
Личные инструменты