Машиностроение и машиноведение 3 техника, № 5, 2013 и Наука Science & Technique МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ УДК 621.7 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ (Часть первая) Канд. техн. наук, доц. КОЛЕСНИКОВ Л. А.1), МАНЖУЛА Г. П.2), докт. техн. наук, проф. ШЕЛЕГ В. К.1), канд. техн. наук, доц. ЯКИМОВИЧ А. М.1) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)ЗАО «МСП Технолоджи Центр» В настоящее время прибыльность машино- строительного производства упала во всем ми- ре. Основная причина – бурное индустриальное развитие стран так называемого третьего мира, в особенности Китая и Индии. Ценовая конку- ренция развитых стран с ними невозможна по понятным причинам, поэтому для получения по-прежнему высокой нормы прибыли у них остается единственная возможность – произ- водство уникальной продукции. Только уни- кальный продукт можно продать не за конку- рентную, а за уникальную (монопольную) цену. Уникальность продукции сегодня обеспечива- ется двумя путями: сегментацией рынка и ускорением разработки и выпуска новых видов продукции. Развитые страны (ЕС, США, Япо- ния и др.) хорошо освоили эти возможности. Приемлемую прибыльность машиностроитель- ной отрасли этих стран как раз и обеспечивают путем организации быстрого проектирования и производства выпуска малых партий уни- кальных или хотя бы в чем-то отличающихся товаров. Страны СНГ и Восточной Европы пытаются догнать развитые страны, идя по тому же пути. Но можно попытаться не догонять развитые страны, а обогнать их, используя принципиаль- но новые (для машиностроения) технологии. Одной из таких технологий является формиро- вание трехмерных объектов не путем удаления материала (точение, фрезерование) или изме- нения формы заготовки (ковка, штамповка), а путем послойного выращивания материала. Эти технологии наиболее известны как быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP). Ино- гда их еще называют технологиями послойного выращивания или аддитивными технологиями (Additive Techniques). При изготовлении по этим технологиям компьютерная модель буду- щей детали или узла передается в установку для быстрого прототипирования. Далее из по- рошка или фотополимера формируются тон- чайшие горизонтальные слои, которые в про- цессе изготовления автоматически объединя- ются друг с другом. В результате получается твердая копия исходной компьютерной модели с точностью до толщины слоя. В настоящее время можно выделить три об- ласти использования технологий быстрого про- тотипирования: 1) изготовление эскизных макетов, дизай- нерских или инженерных образцов (прототи- пов). Изначально это направление и называлось «быстрое прототипирование»; 2) изготовление либо непосредственно ин- струмента (технологической оснастки) для тра- диционных производственных процессов (ли- тья, штамповки), либо промежуточных средств для его производства, используя технологии быстрого прототипирования. Такое направле- ние носит название Rapid Tooling (быстрое из- готовление инструмента или быстрый инстру- мент); 3) непосредственное изготовление функци- ональных деталей, используя технологии быст- рого прототипирования. Такой подход к произ- водству носит название Rapid Manufacturing, или «быстрое изготовление». Машиностроение и машиноведение 4 Наука техника, № 5, 2013 и Science & Technique Два последних направления называют также аддитивным производством (Additive Fabrica- tion, AF или Additive Manufacturing, AM). Косметические прототипы предназначены для оценки внешнего вида и формы (эргоно- мики) новой детали. Они используются для по- лучения первых комментариев от заказчика и оперативной коррекции дизайна изделия. Часто их также применяют для оценки реакции по- тенциальных потребителей. Инженерные прототипы используются для оценки функциональной пригодности новой разработки. В первую очередь, это оценка со- прягаемости новой детали с ее существующим окружением (в частности, проверка собираемо- сти), а также выполнение тестов на удобство использования, продувка в аэродинамической трубе и т. д. Примеры технологий быстрого прототи- пирования. Прежде чем перейти к технологи- ям быстрого изготовления, рассмотрим вкратце их основу – наиболее распространенные техно- логии быстрого прототипирования или послой- ного изготовления трехмерных объектов [1]. Одним из первых способов быстрого прото- типирования является лазерная стереолитогра- фия (Stereolithography – STL или Stereo Litho- graphy Apparatus, SLA). Принцип работы уста- новки для лазерной стереолитографии иллю- стрирует рис. 1а. Ванна, оборудованная по- движным столом, заполнена жидким фотополи- мером, который может затвердевать (полиме- ризироваться) под действием лазерного луча. В исходном положении поверхность стола находится ниже уровня жидкости ровно на толщину слоя. Лазерный луч, направляемый сканирующим зеркалом, засвечивает только те участки поверхности, где на текущем слое должен находиться материал. Освещенные участки поверхности фотополимера за 2–3 с затвердевают и прилипают к столу или к ранее выращенной части детали. По завершении об- работки первого слоя стол опускается на глу- бину следующего слоя. Выравнивающая ли- нейка наносит тонкий слой жидкой смолы на ранее выращенную часть детали. Далее опять засвечиваются только те участки поверхности нового слоя, на которых должен находиться материал. Так, слой за слоем, и формируется деталь. По завершении построения готовая де- таль промывается от остатков жидкой смолы, сушится и может быть дополнительно помеще- на в ультрафиолетовую камеру для ускорения окончания полимеризации. Затвердевший по- лимер по цвету и прочности напоминает эпок- сидную смолу. Для сокращения расхода фото- полимера и ускорения работы массивные дета- ли часто выполняют в виде тонкостенных сот, заполняющих цельную оболочку. Точность изготовления моделей методом стереолитографии наивысшая среди других технологий быстрого прототипирования. Она определяется толщиной слоя, как правило, со- ставляющего от 0,016 до 0,200 мм, и диаметром луча лазера. При правильном подборе парамет- ров минимальная толщина стенки полого изде- лия не превышает 0,2 мм. Размеры выращивае- мых деталей ограничены габаритами рабо- чей камеры и могут достигать величины 1500 750 500 мм. Для получения более круп- ных деталей выращивают отдельные блоки и склеивают их. Скорость выращивания – по- рядка 10 мм по высоте в час, стоимость изго- товления – менее 2 евро/см3. Стоимость уста- новки в зависимости от размера камеры выра- щивания составляет 200000–900000 дол.; стоимость фотополимера – ориентировочно 150–190 дол./кг. Самым крупным производите- лем установок для стереолитографии является фирма 3D System, США. В настоящее время примерно 3/4 всего выпуска деталей по техно- логиям быстрого прототипирования осуществ- ляется на установках этого типа. Пример изде- лия сложной формы, изготовленного методом стереолитографии, представлен на рис. 1б. К недостаткам стереолитографии относятся высокая цена установок и токсичность фотопо- лимера в жидком виде. Получаемое изделие хрупкое и может покоробиться при длительном нахождении во влажной среде. Способ создания прототипа избирательным спеканием (плавлением) порошков лучом лазе- ра (Selective Laser Sintering, SLS или Selective Laser Melting, SLM) в чем-то похож на сте- реолитографию. На поверхность подвижного стола (рис. 2а) при помощи ролика подачи наносится тонкий слой порошка. Лазерный луч, направляемый сканирующим зеркалом, рас- плавляет или спекает частицы порошка на нужных участках поверхности. Одновременно они «привариваются» к нижележащему слою. Машиностроение и машиноведение 5 техника, № 5, 2013 и Наука Science & Technique Далее стол опускается на высоту слоя и цикл повторяется до полного формирования детали. По окончании процесса выращивания неспе- ченный порошок удаляют. Важной особенно- стью процесса является то, что во время изго- товления модель погружена в «ванну» из не- спеченного порошка. Этот порошок служит своеобразной опорой для частей модели, что упрощает создание тонких стенок и нависаю- щих участков. Для производства деталей могут использоваться порошки из металлов, керамики или полимеров (в зависимости от мощности лазера в установке). Например, на рис. 2б пока- заны турбинные лопатки сложной внутренней структуры из жаропрочной стали, выполненные по технологии избирательного спекания по- рошков лучом лазера [2]. Интересным решением служит также ис- пользование металлических или керамических порошков с полимерным покрытием частиц. В процессе обжига маломощным лазером по- лимер расплавляется и склеивает между собой частицы основного материала. Далее готовую модель («сырец», green) спекают в печи и, при желании, пропитывают металлическим распла- вом (чаще всего бронзой). В результате воз- можно получить полностью функциональную деталь. Точность этой технологии может достигать величины 0,05 мм, а скорость выращивания – порядка 12–25 мм3/ч, рабочая камера – разме- ра 700 380 580 мм. Основные производители: 3D System (США) и EOS (ФРГ). а б Рис. 1. Схема установки для стереолитографии (а) и образец изделия (б) а б Рис. 2. Схема установки для избирательного спекания порошков (а) и образцы изделий (б) Сканирующее зеркало Лазер Подвижный стол Жидкая смола Модель Выравнивающая линейка Сканирующее зеркало Лазер Порошок Модель из спеченного порошка Подвижный стол Ролик подачи порошка Машиностроение и машиноведение 6 Наука техника, № 5, 2013 и Science & Technique Главный недостаток метода заключается в сложности удаления и повторного использова- ния остатков порошка. Это, в частности, при- водит к тому, что замена порошка вынуждает проводить весьма трудоемкую очистку всей камеры выращивания. Кроме того, процесс вы- ращивания необходимо проводить в среде инертного газа. Установка трехмерной печати (3D Printing, 3DP) тоже выращивает деталь из порошка, но для соединения частиц порошка между собой используется клей. На поверхность подвижной платформы при помощи ролика подачи нано- сится тонкий слой порошка (рис. 3а). Подвиж- ная головка с соплами сканирует поверхность слоя и разбрызгивает быстро застывающий клей только на те участки поверхности, где на текущем слое должен находиться материал. В этих местах частицы порошка склеиваются между собой и с нижележащим слоем. Назва- ние метода обусловлено, видимо, тем, что ра- бота установки внешне напоминает работу струйного принтера. Сходство усиливается тем, что клей может быть окрашен в базовые (крас- ный, зеленый, голубой) цвета. В результате возможно создание детали, любой объем кото- рой будет окрашен в произвольный цвет (тео- ретически доступно 16 миллионов оттенков цвета). Например, на рис. 3б показана «змея», разноцветные чешуйки которой насквозь про- низывают тело. В качестве строительного материала чаще всего используются крахмально-целлюлозные или гипсовые порошки, а в качестве клея – по- лиэфирный компаунд или специальный воск. Для повышения прочности готовой модели иногда ее пропитывают цианоакрилом или эпоксидной смолой. Экологичность исполь- зуемых материалов позволяет устанавливать 3D-принтеры даже в офисах. Стоимость и ап- паратов, и расходных материалов одна из са- мых низких в отрасли [3]. Толщина слоя ме- няется в диапазоне от 0,076 до 0,254 мм при скорости «печати» двух-шести слоев в ми- нуту. Размеры рабочей камеры достигают 500 600 400 мм. Основные производители: Z Corporation, Stratasys (США). К недостаткам этого метода можно отнести сравнительно не- высокую точность выращивания, грубость по- верхности и не всегда достаточную прочность детали. Технологию моделирования распределени- ем расплава (Fused Deposition Modelling, FDM) иллюстрирует рис. 4а. В нагревательную го- ловку со множеством сопел подается нить (или нити, шнуры) из термопласта. В головке нить плавится и отдельными каплями выбрасывается из сопел на нужный участок. Застывая, капель- ки пластика привариваются к предыдущему слою. Головка перемещается над поверхностью детали, формируя очередной слой. Далее по- движный стол опускается на толщину слоя, и цикл повторяется до завершения выращивания детали. Как правило, используются одновре- менно не менее двух головок. Одна головка – для распыления материала, из которого изго- тавливается деталь. Вторая головка распыляет легкоудаляемый материал, который служит для создания специальных поддерживающих эле- ментов (поддержек) для выступающих (или нависающих) частей модели, тонких стенок, поднутрений и т. д. а б Рис. 3. Принцип работы установки для трехмерной печати (а) и образец изделия (б) Клей Порошок Модель из склеенного порошка Подвижная платформа Ролик подачи порошка Печатающая головка Машиностроение и машиноведение 7 техника, № 5, 2013 и Наука Science & Technique а б Рис. 4. Схема установки для моделирования распределением расплава (а) и образец изделия, выращенного в сборе (б) В качестве строительного материала могут использоваться ABS-пластики различных цветов или эластомеры на основе полиэфира. Приме- нение промышленных термопластов позволяет создавать сразу полнофункциональные дета- ли, в том числе гибкие и упругие компоненты (рис. 4б). Кроме того, при необходимости созда- вать образцы для литья по выплавляемым моде- лям в качестве строительного материала исполь- зуется также литьевой воск, в качестве материа- лов поддержки – водорастворимые материалы типа крахмала. Точность этой технологии достигает величи- ны порядка 0,13 мм при производительности до 380 мм3/с. Размер рабочей камеры таких устано- вок может достигать 600 500 600 мм. Ориенти- ровочная стоимость установки с размером каме- ры 254 254 254 мм – около 35000 дол.; стои- мость литейного воска – около 250 дол./кг. Основным производителем таких установок яв- ляется Stratasys, DTM Corporation (США). К не- достаткам технологии моделирования распреде- лением расплава можно отнести возможность расслоений изделия под нагрузкой и жесткие требования по поддержанию температурного режима в процессе выращивания. Принцип работы установки для создания прототипов методом лазерной резки листовых материалов (Laminated Object Manufacturing, LOM, LOM1) иллюстрирует рис. 5а. Бумажная лента с нанесенным слоем термоактивируемого клея при создании очередного слоя останавли- вается над подвижным столом. Луч лазера вы- резает в ленте бумаги контур очередного слоя и обрезает края листа. Горячий ламинирующий ролик прокатывается по листу бумаги, прикле- ивая его при этом к нижележащим. Для упро- щения удаления излишков бумаги выполняется сетка дополнительных разрезов между конту- ром детали и краями листа. Далее стол опуска- ется на толщину ленты и процесс повторяется до завершения выращивания изделия. После окончания процесса деталь оказывается заклю- чена внутри параллелепипеда из излишков бу- маги. Эти излишки относительно легко удаля- ются вручную благодаря заблаговременно вы- полненной сетке дополнительных разрезов. Выращенная деталь по внешнему виду и меха- ническим свойствам напоминает слоистый пла- стик или фанеру и легко обрабатывается. Изде- лия, изготавливаемые по этому способу, имеют самые большие линейные размеры и делают- ся быстрее, чем при использовании любого другого способа быстрого прототипирования (рис. 5б). Существуют установки с размером рабочей камеры 560 810 500 мм. Точность процесса – порядка 0,127 мм. В качестве рабочего материала можно ис- пользовать не только бумагу, но и пластиковую ленту, металлическую фольгу или даже листовой металл. Вырезание контура в этом случае может производиться не только лучом лазера, но и фре- зой, струей воды и т. д. Такой процесс иногда называют LOM2. Правда, в этих случаях услож- няется процесс стыковки и соединения отдель- ных слоев материала между собой. Главным не- достатком метода лазерной резки листовых ма- териалов является большое количество отходов, а также необходимость ручной очистки готового изделия от остатков материала. Кроме того, по- верхность изделия получается шероховатой, а при работе установки необходима интенсивная вентиляция из-за дыма, выделяющегося при ла- зерной резке бумаги. Модель из затвердевшего пластика Жидкий пластик Пластиковый шнур Нагревательная головка Машиностроение и машиноведение 8 Наука техника, № 5, 2013 и Science & Technique а б Рис. 5. Схема установки для лазерной резки листовых материалов (а), образец прототипа и литой детали (б) Способ непосредственного размещения ме- талла (Direct Metal Deposition, DMD) позволяет создавать сразу металлическую деталь. Прин- цип его работы иллюстрирует рис. 6а. Струя инертного газа подает порошок на поверхность детали. Мощный лазер расплавляет поверх- ность формирующейся детали в заданной точ- ке. Порошок попадает на всю деталь, но прива- ривается к ней только в точке, где металл рас- плавлен лазером. Излишний порошок тут же выдувается из зоны обработки. Такая технология позволяет не только полу- чать новые детали из титановых и алюминиевых сплавов, инструментальных или нержавеющих сталей, но и производить ремонт уже существу- ющих изделий. Поскольку состав порошка мо- жет непрерывно изменяться в процессе выращи- вания, возможно получать деталь сложной структуры, состоящей из различных материалов или даже отдельных устройств [4]. Например, есть примеры выращивания биметаллических пресс-форм, где рабочая поверхность выполнена из инструментальной стали, а конформные ка- налы охлаждения – из меди, причем сталь плав- но переходит в медь (рис. 6б). Такая «умная» пресс-форма дает возмож- ность в два раза сократить время охлаждения детали при литье. При этом стоимость изготов- ления сложных пресс-форм оказывается при- мерно на треть меньше, чем при использовании такой производительной технологии, как высо- коскоростное фрезерование. По прочности, стойкости к износу и коррозионной стойкости выращенные изделия превосходят детали из аналогичного материала, но произведенные по традиционной технологии. а б Рис. 6. Принцип работы установки для непосредственного размещения металла (а) и образец изделия (б) Лазер Лазерный луч Модель Расплавленный участок Подложка Металлический порошок в струе транспортного газа Сканирующее зеркало Лазер Ламинирующий ролик Подающая катушка Модель Принимающая катушка Бумажная полоса Машиностроение и машиноведение 9 техника, № 5, 2013 и Наука Science & Technique Причина в том, что при сверхбыстром за- стывании капельки расплавленного металла кристаллы в ней просто не успевают сформи- роваться, т. е. формируется структура сплава типа «металлическое стекло». Подавая в зону обработки одновременно порошки разных ме- таллов, теоретически возможно получить са- мые экзотические сплавы с заранее заданными свойствами, которые практически невозможно получить никакими иными способами. Един- ственное ограничение – температура плавления одного металла не должна превышать темпера- туру кипения другого металла. Толщина слоя при выращивании изменяется в диапазоне 0,02–0,10 мм, производительность – порядка 20 мм3/с. Точность размещения мате- риала 0,05 мм (контролируется специальной оптической системой). Размер рабочей зоны может достигать величины 457 457 1067 мм. Производители: Optomec, POM (США), Trumpf (ФРГ). К недостаткам данной технологии, по- мимо относительно низкой скорости выращи- вания и потребности в финишной обработке, следует отнести ее закрытость. Производители установок для непосредственного размещения металла выясняют список задач клиента и гото- вят набор программ управления установкой именно под их решение. Затем клиент покупает у них же порошки металлов, засыпает в уста- новку, нажимает на кнопку и получает готовую деталь. Использовать порошки других произ- водителей или самостоятельно разрабатывать программу обработки оригинальной детали практически невозможно (такая деталь рассы- пается из-за внутренних напряжений). Приведенные примеры не являются исчер- пывающими. В последние 2–3 года отрасль быстрого прототипирования переживает бур- ное развитие, направленное на кардинальное снижение стоимости и увеличение скорости работы установок. Например, успешно разви- ваются технологии печати фотополимером. В одних случаях каждый слой детали в бук- вальном смысле слова печатается фотополиме- ром, точно так же, как в обычном струйном принтере, и затем засвечивается ультрафиоле- товой лампой (технологии типа PolyJet). В дру- гих случаях тонкий слой фотополимера нано- сится на прозрачную подложку и засвечивается ультрафиолетовым изображением текущего слоя (технологии типа ProJet или Film Transfer Imaging, FTI). Используя разные типы фотопо- лимеров, возможно получить жесткие или гиб- кие, прозрачные или цветные детали, в том числе биосовместимые, пригодные для исполь- зования в медицине. Своеобразный «ренессанс» переживает и LOM-технология. В качестве расходных мате- риалов стало возможно использовать обыкно- венную офисную бумагу (www.mcortechnolo- gies.com) или упаковочную пленку (www.solido 3d.com). В Ы В О Д Технологии быстрого прототипирования по- лучают все более широкое распространение, при этом каждый год появляются все новые их разновидности. В настоящее время, помимо создания собственно прототипов, опережаю- щими темпами растет использование техноло- гий быстрого прототипирования непосредст- венно в промышленном производстве (так называемый Additive Manufacturing). Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Черепашков, А. А. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в ма- шиностроении: учеб. для студ. высш. учеб. заведений / А. А. Черепашков, Н. В. Носов. – Волгоград: Издатель- ский Дом «Ин-Фолио», 2009. – 640 с. 2. Шишковский, И. В. Лазерный синтез объемных изделий / И. В. Шишковский // Сборник докладов Самар- ского филиала Физического института имени П. Н. Лебе- дева РАН. – Самара, 2010. – С. 2–38. 3. Зленко, М. 3D-принтеры. Что выбрать? / М. Зленко // CAD/CAM/CAE Observer. – 2009. – № 1 (44). – С. 84–92; № 2 (46). – С. 93–96. 4. Комаров, С. М. Самозарождение машин / С. М. Ко- маров // Химия и жизнь. – 2006. – № 5. – С. 18–20. Поступила 06.07.2012