Прототипирование

Прототипирование при помощи обработки на промышленном станке ЧПУ.

Компьютерезированное числовое программное упрачление (ЧПУ) – это одна из технологий, уже используемой в течении многих лет, она развивалась и применялась к разным типам промышленных станков, обеспечивая более высокие эффективность и точность, а также существенное сокращение отходных материалов. Прототипирование при помощи обработки на промышленном станке ЧПУ не только использует обычное сверло, но и цилиндрический режущий инструмент, который может вращаться в различных направлениях и может двигаться по нескольким осям (от 3 до 5 осей), кроме того, он может выполнять сложные операции по резке, сверлению, фрезерованию с миллиметрической точностью.
Эти станки с ЧПУ способны производить конкретные формы, которые практически невозможно изготовить любым ручным инструментом. Кроме того, большинство дрелей с ЧПУ оснащены специальным устройством, которое перекачивает жидкость для режущего инструмента в процессе изготовления, чтобы уменьшить трение.
Прототипирование ЧПУ идеально подходит для компаний, желающих производить высокоточные детали. Всё, что требуется – это точное программирование программного обеспечения.

Какие типы материалов используются на фрезерных станках с ЧПУ? Почти все типы материалов, которые физически могут быть пробурены или разрезаны. Тем не менее, большинство станков с ЧПУ обрабатывают металлические материалы, твёрдые пластмассы и полимеры. В зависимости от плотности материала подбирается соответствующая фреза.

Спекание (sintering).

Спекание (sintering) – в настоящее время, является одной из самых передовых технологий для создания прототипов.
Данная технология предвидит использование небольших твердых частиц ( "порошок"), которые свариваются друг с другом при помощи термической и/или механической обработки, получая твёрдое изделие. Следует подчеркнуть её особенность – это же изделие невозможно произвести, используя другие производственные прототипные технологии. Выбор состава и дозирования порошков, и связующих веществ сильно влияет на весь производственный процесс, определяя качество результата. Особенностями произведённой детали при помощи спекания (sintering) являются чрезвычайная твёрдость рабочей поверхности, точность форм, устойчивость к напряжениям (в случае использования металлических порошков) и экономическая выгодность в серийном производстве.
Её распространение связано с некоторыми специфическими свойствами:
- использование порошков различных видов;
- возможность получить пустые изделия с другими деталями внутри, оставляя только отверстие для их освобождения от порошков (например, свисток, составленный из пустого корпуса с отверстиями, и шарик внутри, могут производится одновременно);
- поднутрения (которые необходимо избегать при разработке финального изделия в соответствии с сегодняшними технологиями, при возможном непосредственном применении этой технологии в производстве, могут открыть проектированию новые возможности как и с эстетической точки зрения, так и с технической).


Процесс

Селективное лазерное спекание (sintering) начинается с нанесения тонкого слоя порошка, который плавится при воздействии высокой температуры на контролируемой платформе на оси z.
Данные CAD разделены на двухмерные сечения с определённой толщиной. Эти данные направляют лазерный луч, «рисующий» сечение на поверхности предварительно нагретого порошка до температуры чуть ниже температуры плавления. Применённая энергия плавит порошок, упрочняя вышеуказанное сечение.
Дополнительный слой порошка осаждается валиком на предыдущий слой.
Процесс повторяется до завершения производства детали. Таким образом могут создаваться однородные детали неограниченной сложности.
Порошок в рабочей зоне является естественной поддержкой детали: поэтому нет потребности в дополнительных кроштейнах и это безсомненно – является преимуществом.
Произведённые детали извлекаются из «рабочей камеры» и удаляется избыточный порошок (который утилизируется и возвращается в цикл). Затем они подвергаются обработке окраской.
В общем, почти любой тип материала возможно подвергать спеканию, но при условии, что оптические свойства поглощения могут соответствовать свойствам испускаемого лазером излучения.

Материалы

Наиболее используемые порошки - это полиамидные порошки, пластиковые материалы с промежуточными свойствами до выбора окончательных пластиковых материалов, используемых для серийного производства изделий: обычно применяются не слишком жесткие материалы - как АБС, и не слишком мягкие - как полиэтилен. Однако, они могут быть наполнены стекловолокном для повышения прочности в том случае, когда прототип должен проходить реалистичные испытания.
«Somos» – это эластомерный порошок , позволяющий получить «резиновые» прототипы со свойствами высокой эластичности и устойчивости.
Алюминиевые и металлические порошки являются самыми недавними. Для производимых прототипов из металлических порошков, к обычному процессу добавляется дополнительный этап. Спекается смесь металлических порошков с пластиковыми полимерами, после изготовления детали, она помещается в специальную камеру/печь; здесь, сначала сублимируeтся пластиковый материал, а потом наполняются бронзой пустые пространства, которые создаются непосредственно в детали: таким образом получается полностью металлический прототип.
Данная технология уже применяется в непосредственном производстве маленьких пресс-форм, используемых для пластиковых литьевых материалов

Стереолитография (stereolithography).

Стереолитография (stereolithography - в буквальном переводе означает трёхмерная печать) является одной из самых важных и наиболее используемых технологий в Быстром Прототипировании. При помощи разработанных моделей в CAD, она позволяет производить в быстрые сроки трёхмерные модели из полимеров, удаляя таким образом промежуточный этап производства пресс-форм. Технология стереолитографии (stereolithography) включает в себя четыре разные аспекты:

   - лазер
   - оптику
   - химию
   - информатику

Процесс начинается с подготовки файла 3D, в котором предвидено размещение детали на платформе, создаются кроштейны, необходимые для поддержки детали во время производства и выполняется разделение прототипа вдоль слоев XY, играющих роль производительных планов. При помощи формата STL, проектируемое изделие в CAD 3D будет приемлемым для программного обеспечения в управлении станками для Быстрого Прототипирования.
Данный этап производства: это процесс «solid free form fabrication» (SFFF – изготовление твердой свободной формы) и поэтому прототип производится для последующего дополнения частиц или слоев, чтобы получить необходиую форму (добавочный процесс).
В производстве лазерный луч фокусируется, благодаря соответствующей оптической системе, на поверхности ёмкости, содержащей жидкий фоточувствительный полимер. Лазерный луч вызывает реакцию полимеризации путём создания твердого слоя, представляющего секцию прототипа. Элеватор опускается на величину, равную толщине затвердевшего фотополимера и тонкий слой полимера покрывает только что произведённое сечение при помощи системы точного покрывания. Процесс начинается снова с затвердевания следующего слоя, который прочно пристаёт к нижнему сечению. Процесс продолжается до полного производства прототипа, вынимаемого из ёмкости, поднимая элеватор.
По причинам времени полимеризации, лазер не может затвердить полностью сечение, но будет ограничен по своему профилю и определенному количеству линий, соединяющих внутренний периметр с внешним. По окончании этого этапа деталь становится затвердевшей с внешней стороны, но не полностью - с внутренней. Поскольку на этом этапе физическая субстанция ещё не приемлема, она должна подвергнуться последующей обработке для завершения процесса полимеризации. Он состоит в подвержении ультрафиолетовой лампе: длительность этого процесса зависит от размеров детали, сложности геометрии и типа используемого полимера. Таким образом завершается полимеризация жидкого полимера, находящегося все ещё внутри детали.
По окончании последующей обработки, выполняется удаление всевозможных кронштейнов и отделка детали (окраска, шлифование, или другие обработки).
Стереолитография (stereolithography) обеспечивает хорошую производительность с точки зрения точности деталей и позволяет изготовлять сложные формы с тонкими стенками и хорошим качеством поверхностей.
Разработка деталей позволяет выполнить технический и функциональный анализ дизайна прототипа. Произведённая деталь при помощи стереолитографии (stereolithography) является особенно хрупкой и поэтому не подходящей для подвержения механическим испытаниям.

Силиконовые прототипы.

Вакуумное литьё (vacuum casting), или литьё с применением силиконовой оснастки, является одной из самых известных и используемых технологий в быстром производстве гибких пресс-форм, которая обеспечивает производство ограниченного количества деталей (от 1 до 25) из материала, который благодаря своим некоторым физическим, механическим и эстетическим свойствам, является близким к окончательному.

Производственная цель данной технологии

Получение, в быстрые сроки и без производства окончательных пресс-форм, одной экспериментальной предварительной партии нового изделия, чтобы позволить выполнение многих из функциональных проверок, необходимых для тестирования этого продукта.

Производственный процесс силиконовых пресс-форм

Процесс начинается с производства мастера, который обычно производится при помощи технологии стереолитография (stereolithography), он подвешивается в специальную ёмкость. После размещения вентиляционыых отверстий и литьевых каналов, он предварительно покрывается дегазированным жидким силиконом. По окончании процесса пресс-форма размещается в специальной печи для закалки. После этого, пресс-форма разрезается на две, или больше частей, в соответствии с неровными профилями, с целью достижения последовательной идеальной стыковки для простого скрепления. Эта оснастка позволяет производить прототипы для вакуумного литья (vacuum casting).

Произведённые пресс-формы при помощи данной технологии позволяют:

- получить детали, которые являются сильно приблеженными к окончательным
- выполнять функциональные проверки
- применять изготовленные прототипы на уровне маркетинга
- проводить раньше времени (в некоторых случаях) сертификацию изделия.

Функциональные испытания

Имеется не абсолютная, а ограниченая возможность провести функциональные испытания на прототипах по некоторым характеристикам деталей, которые могут подвергаться физическим и химическим проверкам.
И поэтому важно определить, перед производством предварительной партии, какие аспекты продукта должны быть испытаны на прототипах.
Наиболее симулирующее свойство – это упругий модуль. Возможно получить материалы с упругим типичным модулем производственных термопластов, как АБС, ПА, ПП и т.д., благодаря покупным существующим полимерам (для наиболее распостронённых термопластов), и подготовляя надлежащим образом полиуретан. Дання вторая операция – наиболее применяемая при необходимости симуляции других свойств, среди которых: тепловое сопротивление, устойчивость к растяжению, кручению, устойчивость к некоторым химическим веществам, огнестойкость и шумопоглощение.
Только некоторые механические и физические свойства могут быть симулированы одновременно, поэтому важно заранее определить какие самые важные испытания должны выполнятся для проектирования полиуретанового материала, который является правильным компромиссом для достижения установленных целей.
Необходимо выделить ограничения по использованию полиуретанов в разрушающих испытаниях, при которых требуется получить очень точные данные по точкам разрушения и структурным ограничениям. В этих ситуациях часто является предпочтительным интегрировать, или заменить этап прототипирования силиконовых пресс-форм технологиями rapid tooling и работать на изготовленных прототипах из окончательного материала с идентичной технологией к используемой в серийном производстве.
Благодяря использованию прототипов и симуляции эстетических свойств - достигается превосходство изделий по форме, цвету, прозрачности и поверхностным отделкам. Применение силиконовых предварительных партий позволяет использовать изделия для выставочных презентаций, маркетинговых тестов, доработки упаковки, рекламных фотографий, печатных презентаций и т.д.
Некоторые факторы, которые влияют на качество эстетики, размеров и функциональности предварительной партии :
- Износ силиконовых пресс-форм - в зависимости от материала и геометрии деталей, возможно обеспечить хороший уровень качества произведённых деталей только в количестве от 5 до 25.
- Ухудшение состояния пресс-форм  со временем (даже когда пресс-формы не используются, силикон теряет эластичность и крошится). Срок службы этих пресс-форм – максимум 6 месяцев.
- Ограничения полиуретановых материалов, свойства которых меняются со временем. Прототип создается для использования сразу же после его производства, когда его технические и функциональные характеристики являются целосными, что не может быть гарантировано со временем, так как материал деформируется, становится жестче и более хрупким из-за гигроскопических свойств полиуретана, а также из-за процесса сшивания и чувствительности к ультрафиолетовому излучению.

Технические параметры

Точность: ±0,2% с повторением 0,1% (максимум:±0,2 мм).
Минимальная толщина стенок: хорошее заполнение пресс-форм обеспечивается толщиной стенки – 0,5 мм. Толщина 1,5 мм позволяет достигнуть лучшие результаты.
Максимальные размеры: размеры пресс-форм ограничены размерами станка и объёмом деталей (максимум 10 литров).
Литьевые материалы: полиуретаны и другие доступные материалы во всех стандартных цветах RAL.
Возможно использовать во время литья: втулки, детали, составленные из двух разных материалов.