Придя на cмену традициoнным метoдам пoлучения физичеcких мoделей будущих индуcтриальных изделий (изгoтoвление их из пенoплаcта, дерева, вocка вручную или даже на cтанках c ЧПУ), cиcтемы быcтрoгo прoтoтипирoвания прoизвели пoдлинную ревoлюцию. Они oткрыли неиcчерпаемые вoзмoжнocти для творчеcтва конcтрукторов и дизайнеров в cамых разных отраcлях.
На cегодняшний день во многих облаcтях бизнеcа вcе большим спросом пользуются трехмерные (3d) модели реальных объектов. Моделируют товары, автомобили, дома. Визуализация – самый надежный способ предварительного просмотра и объективной оценки конечного результата проекта, потому что трехмерные модели обладают высоким уровнем интерактивности и реалистичности. А получать их благодаря развитию компьютерных технологий стало довольно простым делом.
Для построения 3d-модели используют физический объект, его фотографии или 2d-изображения (эскизы). И если с последними двумя способами все более или менее понятно, поскольку здесь удачно совмещаются растущие возможности плоскостного копирования и обработки полученных данных с помощью современных компьютерных программ, то как быть с реальным объектом? Его, согласитесь, в сканер не вставишь. А ведь хотелось бы узреть, как будет смотреться, к примеру, придуманный нами новый элерон на уже существующем самолетном крыле.
Да нет ничего проще! Для этого существует неконтактное лазерное 3d-сканирование поверхностей объектов (технические изделия, элементы архитектуры и т.д.) с последующей обработкой полученных элекронных данных (так называемого облака точек) с помощью специального программного обеспечения. В распоряжении занимающихся этим делом специалистов имеются ручные лазерные сканеры. Для примера назовем компактную модель производства фирмы FastScan с точностью сканирования 0,1 мм. Вот преимущества такого рода аппаратов:
- возможность 3d-сканирования крупногабаритных и тяжелых объектов на месте;
- высокая скорость и качество сканирования объектов;
- применение лазерного 3d-сканирования не наносит механических и другого рода повреждений сканируемым объектам;
- возможность конвертирования файлов под различное программное обеспечение для работы с 3d-объектами;
- возможность создания 3d-образов объектов, прикосновение к которым нежелательно или невозможно в принципе.
Реверс-инжиниринг (reverse engineering) – это способ получения трехмерных данных в компьютеризированной форме из физических моделей или продуктов. Он имеет явные преимущества эффективного использования вкупе с другими технологиями экономии времени. Эта технология добавляет гибкости как в разработку будущей модели, так и в производство прототипов.
Дизайнер не обязан более ограничивать свою фантазию рамками традиционных методов производства. Теперь он может делать такие геометрические формы, которые ранее было невозможно выполнить или это стоило очень дорого. С помощью прототипирования моделей возможно строить внутренние структуры и полости. В заданных углах разъема пресс-форм больше нет никакой необходимости. Сфокусировавшись на конечном продукте, дизайнер может выразить свою индивидуальность «свободной» трехмерной геометрией.
Все ведущие мировые автопроизводители используют технологии CAD/CAM и лазерное 3d-сканирование при проектировании и изготовлении автомобилей. Согласно этим технологиям детали кузова новых моделей автомобилей проектируются с помощью компьютеров; при этом создается база математических 3d-моделей, выполняющих функцию эталона.
Освоение технологий CAD/CAM/CAE и применение лазерного 3d-сканера существенно ускорило процессы проектирования и производства новых моделей автомобилей, уменьшило количество этапов при изготовлении штампов. Стали доступны современные методы оперативного контроля геометрии деталей и узлов, в том числе с применением оборудования для 3d-сканирования.
Технология CAD/CAM и технология 3d-сканирования широко используются с целью повышения качества уже выпускаемых моделей. База математических моделей создается на основе имеющейся модельной оснастки (мастер моделей) с помощью технологии реверс-инжиниринга.
Вся поверхность детали сканируется за 5–30 минут. При этом окончательный результат представляет «облако точек» из 1–3 млн точек, что дает возможность с высокой точностью определить даже мелкие конструктивные элементы. Полученные математические модели деталей позволяют оперативно производить контроль качества и наладку оборудования, улучшать геометрию кузова.
Более того, быстрое прототипирование дает возможность получать не только чертежи и проекты в 3d-представлении путем преобразования электронных данных формата stl, поступающих из CAD-системы, но и физические детали-прототипы без инструментального их изготовления. Прототипы машиностроительных изделий, создание макетов зданий и прототипов архитектурных сооружений (макетирование), элементы декора интерьеров, новые дизайнерские решения – вот далеко не полный перечень того, что за считанные часы может преобразоваться из цифровой 3d-модели в модель физическую, т.е. в прототип!
Необходимость в разработке новой продукции и ее ускоренном производстве усиливает влияние на переход с инструментальных, классических методов моделирования на новые, более гибкие, с использованием технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping – RP). Производство прототипов и функциональных прототипов напрямую из электронных данных с помощью революционной технологии, например селективного лазерного спекания (sls), поможет достичь поставленной цели с максимальной экономией времени.
Поверхности, определенные по данным 3d-сканирования, обрабатываются и превращаются в модель, которую необходимо экспортировать в файл нового формата. STL-файл – это стандартные входные данные для любого процесса быстрого прототипирования. Перенеся STL-файл на машину для быстрого прототипирования, можно изготавливать копии отсканированной модели. А иногда это единственная возможность воссоздания какого-либо уникального изделия, на которое отсутствует конструкторская документация.
В процессе изготовления трехмерная модель в оцифрованном файле виртуально нарезается на тонкие слои. По ним и ориентируется машина. Ведь по сути своей быстрое прототипирование (RP) – это послойное построение твердотельной модели в соответствии с геометрией CAD-модели. Инновационная технология последовательно создает прототип слой за слоем, используя исходный материал. Так что главное и принципиальное отличие RP от традиционных методов изготовления моделей заключается в том, что модель создается не отделением материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего будущую твердотельную модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части.
Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как при использовании традиционных методов.
Модели, выполненные методом RP, могут изготавливаться из различных материалов: из специальных порошков, жидких смол, воска, пластиков, листовых материалов. В каждом случае выбор зависит от типа применяемого оборудования и поставленной задачи.
Так, процессы, использующие порошкообразные материалы, осуществляют скрепление частиц посредством спекания электронным пучком, лучом лазера или выборочным нанесением связующих компонентов. Методы с применением жидких расходных материалов подразделяются на процесс отверждения фотополимера сканирующим лучом лазера (точечный), метод маски (послойный), гибридный (струйная печать + УФ полимеризация).
Процессы, использующие твердые листовые материалы с термоклеевым слоем, различаются по способу их резки – лазером или фрезой. А есть еще методы, использующие расплавленные твердые материалы. Они различаются способом нанесения материала на модель: каплями из струйной головки (воск), или нитью из фильерной головки (АБС-пластик, поликарбонат).
Зачем нужно такое разнообразие методов? Во-первых, каждый пользователь сам определяет, каким требованиям по качеству (в том числе и декоративным, если речь идет о чисто демонстрационных экземплярах) должна отвечать модель и сколько он готов потратить на ее изготовление. Во-вторых, будем учитывать и иные, тоже сугубо практические соображения. Рассмотрим их на примере литейного производства.
В литейном производстве наиболее долгим является процесс изготовления мастер-модели для литейной формы, который занимает до нескольких месяцев на деталь. Быстрое прототипирование позволяет на основе одних только чертежей сделать требуемую модель менее чем за неделю.
Причем, технологии RP предлагают литейщикам изготовление двух видов мастер моделей на выбор – плавящихся или высокотвердых. В первом случае применяется материал, который под воздействием температуры может выплавляться, а при более высоких температурах – полностью выжигаться при практическом отсутствии зольного остатка.
Во втором варианте используется легко обрабатываемый материал. Полученные из него изделия легко пилятся, сверлятся, шлифуются. Проведя несложные финишные операции, можно получить идеально гладкую поверхность с твердостью по Шору 80 ед. Для изготовления литейных форм такая модель прослужит долго. Кроме того, твердые и прочные изделия способны стать функциональными моделями. Например, могут послужить корпусом для действующих прототипов электронных устройств или деталью готовой машины.
В качестве практического примера представим оборудование американской фирмы Stratasys. Оно позволяет быстро (в течение нескольких часов) и без применения пресс-формы получить пластмассовый прототип детали, точно соответствующий ее трехмерной CAD-модели. Эти прототипы используются для оценки эргономики, внешнего вида и функциональности, а также в качестве мастер-модели.
Установка работает в офисных условиях, не требует специальной лаборатории, т.к. агрегат абсолютно безвреден для окружающей среды и обслуживающего его оператора. После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка.
Принцип создания моделей-прототипов по используемой фирмой Stratasys технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке расплавленной до полужидкого состояния полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Catalyst или Insight, которое позволяет оператору оптимально ориентировать ее в рабочей зоне установки и автоматически разбивает исходную модель на горизонтальные слои.
Затем, также автоматически, определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.
При построении модели-прототипа используется так называемая поддержка, а после завершения процесса она легко отделяется механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне (метод называется WaterWorks). Модель, изготовленная с применением этой технологии, получается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей. Технология предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями.
На cегодняшний день во многих облаcтях бизнеcа вcе большим спросом пользуются трехмерные (3d) модели реальных объектов. Моделируют товары, автомобили, дома. Визуализация – самый надежный способ предварительного просмотра и объективной оценки конечного результата проекта, потому что трехмерные модели обладают высоким уровнем интерактивности и реалистичности. А получать их благодаря развитию компьютерных технологий стало довольно простым делом.
Переход в визуальный мир
Для построения 3d-модели используют физический объект, его фотографии или 2d-изображения (эскизы). И если с последними двумя способами все более или менее понятно, поскольку здесь удачно совмещаются растущие возможности плоскостного копирования и обработки полученных данных с помощью современных компьютерных программ, то как быть с реальным объектом? Его, согласитесь, в сканер не вставишь. А ведь хотелось бы узреть, как будет смотреться, к примеру, придуманный нами новый элерон на уже существующем самолетном крыле.
Да нет ничего проще! Для этого существует неконтактное лазерное 3d-сканирование поверхностей объектов (технические изделия, элементы архитектуры и т.д.) с последующей обработкой полученных элекронных данных (так называемого облака точек) с помощью специального программного обеспечения. В распоряжении занимающихся этим делом специалистов имеются ручные лазерные сканеры. Для примера назовем компактную модель производства фирмы FastScan с точностью сканирования 0,1 мм. Вот преимущества такого рода аппаратов:
- возможность 3d-сканирования крупногабаритных и тяжелых объектов на месте;
- высокая скорость и качество сканирования объектов;
- применение лазерного 3d-сканирования не наносит механических и другого рода повреждений сканируемым объектам;
- возможность конвертирования файлов под различное программное обеспечение для работы с 3d-объектами;
- возможность создания 3d-образов объектов, прикосновение к которым нежелательно или невозможно в принципе.
Реверс-инжиниринг (reverse engineering) – это способ получения трехмерных данных в компьютеризированной форме из физических моделей или продуктов. Он имеет явные преимущества эффективного использования вкупе с другими технологиями экономии времени. Эта технология добавляет гибкости как в разработку будущей модели, так и в производство прототипов.
Дизайнер не обязан более ограничивать свою фантазию рамками традиционных методов производства. Теперь он может делать такие геометрические формы, которые ранее было невозможно выполнить или это стоило очень дорого. С помощью прототипирования моделей возможно строить внутренние структуры и полости. В заданных углах разъема пресс-форм больше нет никакой необходимости. Сфокусировавшись на конечном продукте, дизайнер может выразить свою индивидуальность «свободной» трехмерной геометрией.
В изящных обводах авто
Все ведущие мировые автопроизводители используют технологии CAD/CAM и лазерное 3d-сканирование при проектировании и изготовлении автомобилей. Согласно этим технологиям детали кузова новых моделей автомобилей проектируются с помощью компьютеров; при этом создается база математических 3d-моделей, выполняющих функцию эталона.
Освоение технологий CAD/CAM/CAE и применение лазерного 3d-сканера существенно ускорило процессы проектирования и производства новых моделей автомобилей, уменьшило количество этапов при изготовлении штампов. Стали доступны современные методы оперативного контроля геометрии деталей и узлов, в том числе с применением оборудования для 3d-сканирования.
Технология CAD/CAM и технология 3d-сканирования широко используются с целью повышения качества уже выпускаемых моделей. База математических моделей создается на основе имеющейся модельной оснастки (мастер моделей) с помощью технологии реверс-инжиниринга.
Вся поверхность детали сканируется за 5–30 минут. При этом окончательный результат представляет «облако точек» из 1–3 млн точек, что дает возможность с высокой точностью определить даже мелкие конструктивные элементы. Полученные математические модели деталей позволяют оперативно производить контроль качества и наладку оборудования, улучшать геометрию кузова.
Более того, быстрое прототипирование дает возможность получать не только чертежи и проекты в 3d-представлении путем преобразования электронных данных формата stl, поступающих из CAD-системы, но и физические детали-прототипы без инструментального их изготовления. Прототипы машиностроительных изделий, создание макетов зданий и прототипов архитектурных сооружений (макетирование), элементы декора интерьеров, новые дизайнерские решения – вот далеко не полный перечень того, что за считанные часы может преобразоваться из цифровой 3d-модели в модель физическую, т.е. в прототип!
Потрогать руками
Необходимость в разработке новой продукции и ее ускоренном производстве усиливает влияние на переход с инструментальных, классических методов моделирования на новые, более гибкие, с использованием технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping – RP). Производство прототипов и функциональных прототипов напрямую из электронных данных с помощью революционной технологии, например селективного лазерного спекания (sls), поможет достичь поставленной цели с максимальной экономией времени.
Поверхности, определенные по данным 3d-сканирования, обрабатываются и превращаются в модель, которую необходимо экспортировать в файл нового формата. STL-файл – это стандартные входные данные для любого процесса быстрого прототипирования. Перенеся STL-файл на машину для быстрого прототипирования, можно изготавливать копии отсканированной модели. А иногда это единственная возможность воссоздания какого-либо уникального изделия, на которое отсутствует конструкторская документация.
В процессе изготовления трехмерная модель в оцифрованном файле виртуально нарезается на тонкие слои. По ним и ориентируется машина. Ведь по сути своей быстрое прототипирование (RP) – это послойное построение твердотельной модели в соответствии с геометрией CAD-модели. Инновационная технология последовательно создает прототип слой за слоем, используя исходный материал. Так что главное и принципиальное отличие RP от традиционных методов изготовления моделей заключается в том, что модель создается не отделением материала от заготовки, а послойным наращиванием материала, составляющего будущую твердотельную модель, включая входящие в нее внутренние и даже подвижные части.
Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как при использовании традиционных методов.
О материалах и методах
Модели, выполненные методом RP, могут изготавливаться из различных материалов: из специальных порошков, жидких смол, воска, пластиков, листовых материалов. В каждом случае выбор зависит от типа применяемого оборудования и поставленной задачи.
Так, процессы, использующие порошкообразные материалы, осуществляют скрепление частиц посредством спекания электронным пучком, лучом лазера или выборочным нанесением связующих компонентов. Методы с применением жидких расходных материалов подразделяются на процесс отверждения фотополимера сканирующим лучом лазера (точечный), метод маски (послойный), гибридный (струйная печать + УФ полимеризация).
Процессы, использующие твердые листовые материалы с термоклеевым слоем, различаются по способу их резки – лазером или фрезой. А есть еще методы, использующие расплавленные твердые материалы. Они различаются способом нанесения материала на модель: каплями из струйной головки (воск), или нитью из фильерной головки (АБС-пластик, поликарбонат).
Зачем нужно такое разнообразие методов? Во-первых, каждый пользователь сам определяет, каким требованиям по качеству (в том числе и декоративным, если речь идет о чисто демонстрационных экземплярах) должна отвечать модель и сколько он готов потратить на ее изготовление. Во-вторых, будем учитывать и иные, тоже сугубо практические соображения. Рассмотрим их на примере литейного производства.
Мастер-модель для литья
В литейном производстве наиболее долгим является процесс изготовления мастер-модели для литейной формы, который занимает до нескольких месяцев на деталь. Быстрое прототипирование позволяет на основе одних только чертежей сделать требуемую модель менее чем за неделю.
Причем, технологии RP предлагают литейщикам изготовление двух видов мастер моделей на выбор – плавящихся или высокотвердых. В первом случае применяется материал, который под воздействием температуры может выплавляться, а при более высоких температурах – полностью выжигаться при практическом отсутствии зольного остатка.
Во втором варианте используется легко обрабатываемый материал. Полученные из него изделия легко пилятся, сверлятся, шлифуются. Проведя несложные финишные операции, можно получить идеально гладкую поверхность с твердостью по Шору 80 ед. Для изготовления литейных форм такая модель прослужит долго. Кроме того, твердые и прочные изделия способны стать функциональными моделями. Например, могут послужить корпусом для действующих прототипов электронных устройств или деталью готовой машины.
Как это работает?
В качестве практического примера представим оборудование американской фирмы Stratasys. Оно позволяет быстро (в течение нескольких часов) и без применения пресс-формы получить пластмассовый прототип детали, точно соответствующий ее трехмерной CAD-модели. Эти прототипы используются для оценки эргономики, внешнего вида и функциональности, а также в качестве мастер-модели.
Установка работает в офисных условиях, не требует специальной лаборатории, т.к. агрегат абсолютно безвреден для окружающей среды и обслуживающего его оператора. После окончания процесса моделирования изделие можно почти сразу использовать, поскольку не требуется его длительная последующая доработка.
Принцип создания моделей-прототипов по используемой фирмой Stratasys технологии FDM (Fused Deposition Modeling) заключается в послойной укладке расплавленной до полужидкого состояния полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели, разработанной в системе CAD. Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение Catalyst или Insight, которое позволяет оператору оптимально ориентировать ее в рабочей зоне установки и автоматически разбивает исходную модель на горизонтальные слои.
Затем, также автоматически, определяется необходимость применения поддерживающих элементов для нависающих частей модели. Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.
При построении модели-прототипа используется так называемая поддержка, а после завершения процесса она легко отделяется механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне (метод называется WaterWorks). Модель, изготовленная с применением этой технологии, получается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей. Технология предоставляет неограниченные возможности для моделирования тонкостенных деталей и деталей со сложными внутренними полостями.
Владимир Баранов
