Использование RP-технологий в приборостроении

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ RP - ТЕХНОЛОГИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

С.В. Бобцова

RP-технологии - новейшее достижение технологической науки и практики. Они произвели подлинную революцию во всем процессе создания изделий - от их проектирования до изготовления и эксплуатации. Эти технологии позволяют получить большой экономический эффект как на этапе проектирования, так и на этапе изготовления изделия.

Введение

В 1987 г. впервые появились так называемые технологии быстрого прототипиро-вания. Удалось напрямую по компьютерным данным изготовить трехмерную модель будущего изделия. Модели могли принимать парктически любую форму. Внутренние полости и отверстия получались без применения механической обработки [1, 2].

В течение нескольких лет полученные таким способом модели использовались исключительно для визуальной оценки дизайна будущего изделия. Их использование в качестве функциональных моделей с выводами о механических или термических нагрузках было невозможно, так как они были изготовлены из хрупкой пластмассы.

Появление данных инновационных технологий дало возможность отказаться не только от специальных инструментов, форм и приспособлений, но и от традиционных станков. Было достаточно компьютерной программы, которая содержала Зх-мерную геометрическую информацию, и машины, которая бы послойно преобразовывала эту информацию посредством фотополимеризации в геометрическую модель. Метод получил название «Стереолитография», а машина - «Стереолитографический аппарат». Стереолитография возглавила целый ряд «быстрых» способов построения моделей, которые стали известны под названием «Rapid Prototyping».

В процессе развития данных технологий появлялись все новые способы, новые материалы, благодаря которым удалось существенно улучшить физические и технические свойства моделей, что позволило использовать изготавливаемые модели в качестве функциональных моделей, геометрических прототипов. Точность, которая достигнута на сегодняшний день, позволяет проверять изготовленные изделия на собираемость.

За последние несколько лет произошли существенные изменения в новых технологиях. Появилась возможность использования данных технологий в промышленности и, в частности, в приборостроении.

Ранее использования полученных моделей было ограничено вследствие их хрупкости. Но по мере расширения палитры материалов искались пути устранения ограничений. Так появилась технология, которая на сегодняшний день является самой распространенной - литье в эластичные силиконовые формы в вакууме.

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 за очень короткое время. Благодаря использованию широкой гаммы материалов отливаемые копии могут быть эластичными, жесткими, термостойкими, прозрачными, а также 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 полиуретановых смол. Лить-

евые смолы смешиваются в вакуумной камере установки, управляемой компьютером, и автоматически заливаются в силиконовую форму (см. рис. 1).

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 этой технологии:

• сложные поверхности, мельчайшие детали и любые текстуры полностью воспроизводятся эластичной силиконовой формой;

• 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;

• высокая точность изготовления образцов позволяет реально оценить собираемость и работоспособность сложных изделий и, при необходимости, быстро осуществить соответствующие доработки;

• различные варианты окраски образцов, изготовленных в одной форме, позволяют уточнить внешний вид изделия.

Рис. 1. Подробная схема литья в эластичную форму

Несмотря на описанные преимущества технологии литья в вакууме, ей присущи и недостатки. С помощью силиконовых форм можно изготовить лишь ограниченное число деталей (до 30 изделий). Силиконовая форма изготавливается за очень короткое время - приблизительно за шесть часов после получения стереолитографической мо-

дели. Однако для получения полиуретановой копии требуется гораздо больше времени. Как правило, в день можно изготовить 4-8 деталей. Проблемы нет, если требуется только несколько прототипов. Однако, если необходимо изготовить 50-100 прототипов для проведения испытаний с разрушением образцов или для изучения рынка сбыта, то, хотя на изготовление нескольких форм потребуется немного времени, но на получение копий нужно будет несколько недель. На рис. 1 представлена вся цепочка изготовления изделия.

Технология, получившая широчайшее распространение, продолжала развиваться, в результате чего была получена возможность изготавливать реальные металлические изделия [3].

Вместо промышленной пластмассы в силиконовую форму заливают воск. После изготовления восковой модели следует ее доработка, т.е. удаляются литники и выпоры. Модель помещается в опоку и под вакуумом заливается керамикой. Далее следует термообработка в печи, после чего производится заливка металлом. Таким образом, готовое металлическое изделие можно получить уже через несколько часов после получения заказа.

Лазерное плавление

SLM (Selective Laser Melting, лазерное плавление) - это одна из самых новых технологий, позволяющая получать напрямую металлические изделия, не требующая изготовления вообще никакой оснастки (см. рис. 2).

Рис. 2. Процесс лазерного плавления

Лазерное плавление - новый технологический процесс, разработанный специально для прямого изготовления различных металлических изделий. Эта технология по-

зволяет изготавливать пуансоны, матрицы, вставки в пресс-формы, а также детали различного назначения, которые можно использовать, например, в медицине для имплантантов.

Преимущества данного метода:

• изделия могут изготавливаться почти изо всех стандартных металлических порошков или керамических материалов (таких как цинк, бронза, инструментальная сталь, титан, алюминиевый порошок);

• все изделия обладают однородной структурой и требуемой плотностью;

• экономия затрат и времени за счет более короткой цепочки изготовления, так как нет необходимости в дополнительной термической обработке;

• быстрый (всего несколько часов) и несложный технологический процесс - от трехмерных компьютерных данных до изготовления готового изделия;

• при изготовлении пресс-формы все поверхности и каналы охлаждения формируются параллельно, что значительно сокращает время цикла при литье изделий;

• точное и детальное построение изделия со скоростью 5 см3 /час (среднее значение), никаких термических и механических обработок не требуется;

• быстрый и автоматизированный процесс - идеально для «изделия за ночь».

Заключение

Можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день нет ни одной отрасли, где бы не применялись данные технологии. Фирмы, которые используют технологии быстрого прототипирования, значительно выигрывают во времени, а, следовательно, получают большую прибыль, чем конкуренты.

Литература

1. Бобцова С.В., Валетов В. А. Возможности использования технологий быстрого прототипирования в приборостроении. // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). 2001. № 3. С. 97-103.

3. Валетов В. А., Бобцова С.В. Влияние ЯР-технологий на качество изделий. // Инструмент и технологии. 2004. №19-20. С. 20-24.

4. Валетов В.А., Бобцова С.В. Технология быстрых прототипов и их использование в приборостроении. / Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем. СПб, часть 2. С. 154-160.