Прототипування є обов'язковим етапом в процесі розробки будь-якого нового вироби. Створення якісного прототипу, максимально схожого на майбутній виріб - дуже непросте завдання. Доводиться вирішувати проблему точного повторення геометричної форми, збирання, зовнішнього вигляду і пошуку матеріалів, максимально схожих на задані. Останнім часом популярними стали технології швидкого прототипування (RP - rapid prototyping), тобто пошарового синтезу макета з комп'ютерної моделі вироби, Сучасний прототип дозволяє не тільки оцінити зовнішній вигляд деталі, але і перевірити елементи конструкції, провести необхідні випробування, виготовити майстер-модель для подальшого лиття. Використання RP-технологій в прототіпірованії здатне на 50 - 80% скоротити терміни підготовки виробництва, практично повністю виключити тривалий і трудомісткий етап виготовлення дослідних зразків вручну, або на верстатах з ЧПУ.
Побудова прототипу зазвичай відбувається на основі твердотільної моделі з CAD-систем або моделі з замкнутими поверхневими контурами. Ця модель розбивається на тонкі шари в поперечному перерізі за допомогою спеціальної програми, причому товщина кожного шару дорівнює роздільної здатності устаткування по z-координаті. Зазвичай при розбитті дається припуск на механічну обробку. Побудова деталі відбувається пошарово тих пір, поки не буде отримано фізичний прототип.
Принципова схема всіх установок прототипирования однакова: на робочий стіл, елеватор установки, наноситься тонкий шар матеріалу, що відтворює перший перетин вироби, потім елеватор зміщується вниз на один крок і наноситься наступний шар. Так шар за шаром відтворюється повний набір перетинів моделі повторюючи форму необхідного вироби. При цьому на деякому шарі може виявитися, що окремі елементи "повисають" в повітрі, оскільки вони повинні кріпитися до верхніх шарів. Щоб уникнути такої проблеми, 3D модель попередньо готується, в ній будується система підтримок на кожен такий елемент.
Переваги швидкого прототипування:
§ Значне підвищення гнучкості виробництва
§ Підвищення конкурентоспроможності виробництва
§ Зниження собівартості продукції, особливо для мелкосерійнойного виробництва
§ Скорочення термінів виходу на ринок нової продукції
§ Інтеграція комп'ютерних технологій і систем САПР
Технології швидкого прототипування
- Стереолітографія (SLA - Stereo Lithography Apparatus).
Стереолітографія є найпершим і найбільш поширеним методом прототипування, багато в чому завдяки досить низькій вартості прототипу. Принцип методу полягає в пошаровому отверждении рідкого фотополімеру лазерним променем, які направляються скануючої системою. Елеватор знаходиться в ємності з рідким фотополімерною композицією, і після затвердіння чергового шару зміщується вниз з кроком 0,025-0,3 мм. Використовується досить твердий, але крихкий напівпрозорий матеріал, схильний до викривлення під впливом атмосферної вологи. Матеріал легко обробляється, склеюється і фарбується. Якість поверхонь без доведення хороше.
- SLS (Selective Laser Sintering - лазерне спікання порошкових матеріалів).
У SLS технології в якості робочого матеріалу використовуються порошковий пластик, метал або кераміка, близькі за властивостями до конструкційних марок. На поверхню наноситься тонкий шар порошку, який потім спікається лазерним променем, формуючи тверду масу, відповідну перетину 3D-моделі і визначальну геометрію деталі. SLS це єдина технологія, яка може бути застосована для виготовлення металевих деталей і формотворчих для пластмасового і металевого лиття. Прототипи з пластмас володіють хорошими механічними властивостями, можуть бути використані для створення повнофункціональних виробів. 3. FDM (Fused Deposition Modeling - пошарове накладення розплавленої полімерної нитки). Використовуються нитки з АБС, полікарбонату або воску. Властивості використовуваних пластиків дуже близькі до конструкційних марок. Термопластичний моделює матеріал подається через видавлювати головку з контрольованою температурою, нагріваючись там до напіврідкого стану. Головка завдає матеріал дуже тонкими шарами на нерухоме підставу з високою точністю. Наступні шари лягають на попередні, тверднуть і з'єднуються один з одним. Технологія застосовується для отримання одиничних зразків виробів, за своїми функціональними можливостями наближених до серійним, а також для виробництва виплавлюваних моделей для лиття металів.
4. Cтруйное моделювання (Ink Jet Modelling). Різні запатентовані різновиди цієї технології називаються: MJM (Multi-Jet Modeling) - 3D Systems; PolyJet (photopolymer jetting) - Objet Geometries; DODJet (Drop-On-Demand-Jet) - Solidscape. Всі технології мають свої особливості, але функціонують за одним принципом. Головка, що містить від двох до 96 сопел завдає модельний і підтримує матеріал на площину шару. Після нанесення шару, можуть проводиться його фотополімеризація і механічне вирівнювання. В якості підтримуючого матеріалу зазвичай використовується віск, а в якості модельного - широкий спектр матеріалів, дуже близьких за властивостями до конструкційних термопластів. Даний метод дозволяє отримувати прозорі і забарвлені прототипи з різними мехпніческімі властивостями - від м'яких, гумоподібних до твердих, схожих на пластики.
5. Склеювання порошків (binding powder by adhesives).
Використовуються крохмале-целюлозний порошок і рідкий клей на водяній основі, який надходить з струменевого головки і пов'язує частки порошку, формуючи контур моделі. Після закінчення побудови надлишки порошку видаляються. Для збільшення міцності моделі, наявні порожнечі можуть бути заповнені рідким воском. Такі технології дозволяють не просто створювати 3D-об'єкти довільної форми, але ще і розфарбовувати їх.
6. LOM (Laminated Object Manufacturing - ламінування листових матеріалів). Шари прототипу створюються за допомогою ламінування паперового листа. Контур шару вирізається лазером, а поверхня, яку потрібно потім видалити, ріжеться лазером на дрібні квадратики. Після вилучення деталі дрібно порізані надлишки матеріалу легко видаляються. Структура отриманого прототипу схожа на дерев'яну, боїться вологи.
7. SGC (Solid Ground Curing) - опромінення УФ-лампою через фотомаскою. Для створення шару, на поверхню розпорошується тонкий шар фоточуствітельного пластика. Потім цей шар опромінюється ультрафіолетом через фотомаскою із зображенням чергового перетину. Неекспонованих матеріал видаляється вакуумом, залишаючи затвержденої матеріал, який повторно опромінюється жорстким ультрафіолетом. Вільні області заповнюються воском, який забезпечує підтримку для наступних шарів. Перед нанесенням наступного шару поверхню механічно вирівнюється.
Точність виготовлення прототипу в різних методах і на різних установках знаходиться в діапазоні від 0,05 до 0,2 мм по кожній координаті. При зменшенні товщини шару точність зростає, але падає швидкість виготовлення, і як наслідок - підвищується його вартість.