Возможности использования технологий быстрого прототипирования в приборостроении

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ С.В. Бобцова, В.А. Валетов

Технологии быстрого прототипирования предоставили новые возможности развития производства. За последние несколько лет произошли существенные изменения в новых технологиях. Промышленность может использовать эти технологии в точном литье по выжигаемым моделям для быстрого изготовления функциональных металлических образцов. Кроме того, они являются ключевым шагом в быстром изготовлении оснастки. Уже на ранней стадии развития стереолитографии стало ясно, что эта революционная технология может найти различные применения в производственных процессах. На стадии концептуального проектирования наличие физического трехмерного объекта значительно облегчает оценку правильности конструкции, а также упрощает сам процесс общения между членами коллектива, работающими над проектом.

Ранее стереолитографические объекты, создаваемые из фотополимерных материалов, по своим физическим и механическим характеристикам не соответствовали промышленным материалам. Следовательно, хотя эти модели и позволяли проводить контроль размеров и геометрии, проверку и оптимизацию конструкции, возможности функциональной проверки прототипов были ограничены. В связи с этим несколько лет назад многие пользователи технологии стереолитографии начали искать пути, позволяющие устранить эти ограничения. Для изготовления металлических деталей фирмой 3D Systems был разработан новый стиль построения моделей, названный QuickCast, исключающий необходимость использования дорогостоящей и трудоемкой оснастки [1].

QuickCast - литье по выжигаемым стереолитографическим моделям. Стиль построения QuickCast заключается в создании внутренней открытой решетчатой структуры, состоящей из множества связанных перегородок. Решетчатая структура покрыта тонкой оболочкой, чтобы внутрь не проникала жидкая керамика. При выжигании модели структура разрушается внутрь, не разрушая оболочковую форму. Стереолитографическая модель используется совместно со стандартной литниковой системой, изготовленной из литейного воска. После изготовления оболочковой формы восковая литниковая система выплавляется на начальном этапе отжига оболочковой формы, при котором еще не происходит разрушение стереолитографической модели.

Обжиг оболочковой формы производится при температуре приблизительно 900 °С. Во время этой операции стереолитографическая модель сначала размягчается, а затем выжигается, оставляя приблизительно 0,003 % остаточной золы. Затем зола удаляется сжатым воздухом, и керамическая оболочковая форма готова к заливке металла.

Металл заливается в керамическую форму и охлаждается. Затем оболочка разрушается, удаляются литники, и обычно все завершается зачисткой, пескоструйной обработкой, фрезерованием и т.д. Конечный результат - это точная металлическая отливка, созданная из модели, изготовленной по технологии стереолитографии, минуя традиционную дорогостоящую технологическую оснастку.

Отметим основные преимущества этого процесса.

• Возможность точного литья металла по выжигаемым моделям, полученным без какой-либо оснастки.

• Значительная экономия времени (отсутствует этап изготовления оснастки).

• Значительная экономия средств (исключены затраты на изготовление оснастки).

• Возможность проведения функциональных испытаний на отливках из необходимого металла.

• Быстрое появление новых изделий на рынке дает фирмам преимущества в конкурентной борьбе.

• Возможность изготовления небольших серий металлических деталей.

Рис. 1. Технологический процесс изготовления металлических отливок

Литье в эластичные силиконовые формы в вакууме. Литье в вакууме в эластичные формы - это процесс получения опытных образцов и небольших партий пластмассовых и восковых деталей любой сложности и габаритов без изготовления стандартной оснастки. Благодаря использованию широкой гаммы материалов отливаемые копии могут быть эластичными, жесткими, термостойкими, прозрачными или различных цветов.

Принцип изготовления деталей по технологии литья в эластичные формы заключается в абсолютно точном копировании модели. Форма изготавливается заливкой полимеризующегося силикона вокруг модели. Модель удаляется из силиконовой формы после надреза формы по разделительной плоскости. Далее в силиконовую форму можно залить любую из имеющихся в широкой номенклатуре

двухкомпонентных полиуритановых смол. Литьевые смолы смешиваются в вакуумной камере установки, управляемой компьютером, и автоматически заливаются в силиконовую форму.

Возможность воспроизведения сложных форм, мельчайших деталей, любой текстуры поверхности и цвета обеспечивают смолы для литья в вакууме, имеющие различную твердость и термостойкость, что позволяет имитировать большинство пластмасс, резин и стекол, используемых в современном производстве. Технология литья в силиконовые формы в вакууме позволяет:

• проверить собираемость и работоспособность конструкций;

• отработать дизайн изделия;

• изготовить партию опытных образцов в течение нескольких часов после изготовления силиконовой формы;

• провести маркетинговые исследования.

Основные преимущества при применении:

• высокая точность изготовления образцов позволяет реально оценить собираемость и работоспособность сложных изделий;

• опытные образцы могут быть готовы уже через несколько дней;

• можно использовать различные материалы для получения копий и оценить их конструкцию и потребительские свойства до изготовления серийной оснастки.

Несмотря на описанные выше преимущества технологии литья в вакууме, ей присущи и недостатки.

• С помощью силиконовых форм можно изготовить лишь ограниченное число деталей. В одной форме можно отлить до 20 прототипов деталей, не имеющих тонкостенных элементов. Однако для деталей, имеющих более сложную геометрию с острыми элементами, в одной форме можно отлить максимум 10 копий.

• Силиконовая форма изготавливается за очень короткое время - приблизительно за шесть часов после получения стереолитографической модели. Однако для получения полиуретановой копии требуется гораздо больше времени. Как правило, в день можно изготовить 4-8 деталей.

Промежуточная оснастка. В том случае, когда требуются 20-100 прототипов и необходимо, чтобы они были отлиты под давлением из промышленной пластмассы, эластичная оснастка не подходит. В то же время при изготовлении нескольких сотен деталей невозможно окупить затраты на серийную стальную оснастку. Эту задачу можно решить с помощью так называемой "промежуточной оснастки".

Компания 3D Systems и другие фирмы интенсивно работали над созданием промежуточной оснастки. Один из наиболее эффективных способов основан на принципе "Direct AIM" (литье под давлением в формы, построенные непосредственно из стереолитографического полимера).

При изготовлении деталей таким методом есть некоторые особенности. Необходимо обратить внимание на время цикла при работе с оснасткой, полученной способом "Direct AIM". Очень важно не пытаться слишком быстро разнимать форму. Опыт показал, что разрушение формообразующих, изготовленных способом "Direct AIM", происходит не в процессе литья, а во время извлечения детали из пресс-формы. Поэтому более длительный цикл позволяет обеспечить лучшее остывание залитой пластмассы, уменьшая прилипание отлитой детали к полимерной вставке.

Другим моментом, представляющим интерес, является использование антиадгезивов для пресс-форм. Антиадгезив необходимо наносить на формообразующие перед каждым циклом "впрыск - извлечение". Без этого деталь будет прилипать к формообразующей, и при ее извлечении на форме могут появиться

трещины и сколы. В дальнейшем при литье деталей на их поверхности будут воспроизведены эти дефекты.

Третий ключевой момент - необходимость литейного уклона. Даже для стандартной стальной оснастки требуется небольшой - порядка 0,5-1° - литейный уклон для извлечения детали. Если литейный уклон отсутствует, есть большая вероятность того, что деталь не будет сниматься. Если формообразующая изготовлена из стали, то будет повреждена деталь. К сожалению, если формообразующая выполнена из стереолитографического полимера, то будет разрушена формообразующая.

Следовательно, литейный уклон абсолютно необходим при использовании формообразующих, изготовленных способом "Direct AIM".

Основное преимущество способа "Direct AIM" состоит в том, что формообразующие пуансона и матрицы изготавливаются непосредственно на установке стереолитографии. Следовательно, никакие вспомогательные процессы, за исключением очистки стереолитографической детали, удаления элементов поддержки, пескоструйной обработки и полировки, не требуются. Тем не менее, способ "Direct AIM" имеет ряд недостатков.

• Удельная теплопроводность отвержденных стереолитографических полимеров приблизительно в 300 раз ниже, чем у стандартной инструментальной стали, что значительно снижает скорость передачи тепла от пластмассовой детали к оснастке. Поэтому для способа "Direct AIM" рекомендуемый цикл составляет 4-5 мин., в отличие от стандартного цикла 5-15 сек. для литья под давлением с использованием стальной оснастки.

• Для построения крупных формообразующих на установке стереолитографии может потребоваться 30-40 часов, хотя это и немного по сравнению с месяцами, необходимыми для изготовления традиционной оснастки.

• Стереолитографические формообразующие имеют невысокую механическую прочность, особенно при высоких температурах литья под давлением.

• Поверхность оснастки, изготовленной способом "Direct AIM", имеет относительно низкую твердость и малую прочность. Если необходимо изготовить 30-100 штук деталей из пластмассы без наполнителей, то это не имеет значения. Но для серии от 200 до 1000 деталей стойкость оснастки может быть недостаточна из-за разрушения поверхности.

Для решения этих проблем компания 3D Systems и другие фирмы в настоящее время проводят исследования в области модификации способа "Direct AIM". На рис. 2 проиллюстрирован один из таких вариантов. В этом случае вместо построения монолитной формообразующей на стереолитографической установке строится относительно тонкая оболочка. Чем тоньше стенки, тем меньше время построения и выше скорость теплопередачи. Однако, если оболочка слишком тонкая, то ее можно повредить в процессе изготовления пресс-формы. Оптимальная толщина зависит от механических свойств используемого полимера, его термостойкости, а также от геометрии формообразующей.

После построения оболочек, их очистки, удаления элементов поддержки и доотверждения ультрафиолетовым облучением их заливают с обратной стороны вспомогательным материалом - двухкомпонентной эпоксидной смолой с наполнителем из алюминиевого порошка.

Отметим преимущества оболочковой стереолитографической оснастки.

• Сокращено время построения на стереолитографической установке.

• Увеличена удельная теплопроводность.

• Снижены затраты. Стоимость эпоксидной смолы с алюминиевым наполнителем ниже, чем стоимость полимера.

Приведенные выше примеры показывают, как может быть использована технология стереолитографии. Другие технологии быстрого прототипирования также нашли свое применение в производстве [2].

Рис. 2. Оболочковые стереолитографические формообразующие

пуансона и матрицы

Визуализация. Технологии быстрого получения прототипов изделий предоставляет инженерам и дизайнерам свободу творчества при создании дешевых трехмерных моделей. При желании можно провести чистовую обработку поверхности прототипа, чтобы заказчики и персонал имели возможность оценить эстетические свойства продукта.

Литье по выжигаемым моделям. Прототипы могут выступать в качестве разовых моделей для точного литья, если они изготовлены из материалов, выгорающих под действием высоких температур (LOM, 3D-Printing - трехмерная печать). Так как такие объекты не расширяются и не трескаются при обжиге, возможно использование традиционных методов литья, при которых модели выгорают при заполнении формы расплавленным металлом.

Вакуумное литье пластмасс. Прочность и жесткость прототипов делает их удобными для вакуумного литья тонких пластмассовых компаундов при малых и средних объёмах производства. Прочность моделей, полученных по технологиям LOM, SLA, FDM, SLS (SLS - лазерное спекание порошковых материалов) позволяет им выдерживать высокие напряжения.

Изготовление пресс-форм. Прототипы, имеющие достаточную прочность, используются для быстрого изготовления пресс-форм для литья по выплавляемым моделям из парафиново-стеариновых составов при малых и средних объемах производства. Для улучшения качества отливок и увеличения ресурса пресс-форм на рабочие поверхности можно нанести металлическое покрытие.

Отливка гипсовых форм. Геометрическая стабильность LOM, SLA и других моделей и свойственная им точность делают возможным их использование для литья гипсовых форм.

Пресс-формы из силиконового каучука. Прототипы часто используются при литье из силиконового каучука для получения полиуретановых или эпоксидных отливок.

Основная цель отрасли "Быстрое моделирование (прототипирование)" - переход к быстрому изготовлению. Силиконовые формы позволяют отлить небольшое количество деталей из полиуретана. Способ "Direct AIM" и его модификации позволяют изготовить промежуточную оснастку, и отлить под давлением детали из промышленной пластмассы. В ближайшем будущем способ "Direct AIM" и оболочковая стереолитографическая оснастка, возможно, даже позволят изготавливать небольшие серии реальных деталей.

Литература

1. Jacobs, P F., Chapter 11, Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 1992.

2. Gebhardt Andreas, Raped Prototyping, Werkzeuge für die schnelle Produktentwickling, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2000.