Прототипирование – это неотъемлемая часть подготовки производства
пластмассовых изделий. Прототипирование даёт возможность получить техническую
информацию, проверить некоторые функциональные свойства CAD-модели и будущего
изделия, провести маркетинговое исследование нового изделия на рынке.Перед серийным производством пластмассового изделия, требуется изготовить
хотя бы один или несколько вариантов прототипов, что ведёт к
дополнительным затратам.
1. Технологии прототипирования
Современные программные продукты CAD/САМ/САЕ-систем дают возможность
проанализировать процессы заполнения и охлаждения пресс-формы, усадки и
коробления отливок, все эти данные раньше можно было получить только после
выполнения пробных циклов литья . Компьютерная модель литья изделия даёт
информацию о расположении линий спая, о потенциально слабых местах конструкции
и склонности к короблению и возникновению внутренних напряжений в отливке, наличии
воздушных ловушек. Моделирование помогает оптимизировать разработку
технологического процесса и позволяет выбрать рациональный вариант конструкции
изделия. Использование программных продуктов для анализа уменьшает, как
минимум, необходимость производства большого числа различных формообразующих
деталей. Прототипы значительно ускоряют производственный цикл изготовления изделия
от модели до конечного продукта, а также максимально способствуют обеспечению
качества готовой продукции. Существует большое разнообразие технологий
изготовления прототипов пластмассовых изделий. Конкретный выбор зависит от габаритов
изделия, средств и времени, которыми располагают разработчики, а также от того,
насколько близки технический характеристики готового изделия и прототипа.
Основные технологии изготовления прототипов:
• склеивание слоев;
• литье в силиконовые формы;
• литье под низким давлением;
• механическая обработка;
• фотополимеризация;
• стсреолитография;
• лазерное спекание порошковых материалов;
• послойное наложение расплавленной полимерной нити;
• создание твердотельных объектов с помощью принтеров;
• изготовление моделей из вспененных пластмасс;
• литье в мелкосерийные формы.
По любой из указанных технологий может быть получен прототип. Реальную информацию
об эксплуатационных характеристиках
изделия, его пригодности для изготовления литьем под давлением в серийном
производстве и о соответствии заданной точности на размеры, наиболее полно даёт
литье в мелкосерийные пресс-формы. Химические, электрические ,термомеханические
и размерные характеристики изделия зависят от процесса переработки, это
означает, что точная оценка процесса возможна, если опытный образец отлит из
того же материала, который предполагается использовать в серийном производстве,
если стоимость на получение такого образца превышают допускаемые производством
возможности, то можно ограничится компьютерным
моделированием или другими способами моделирования, которые не позволяют оценить
все моменты, связанные с особенностями процесса литья под давлением.
2. Изготовление прототипов механической обработкой
Применяют традиционные способы
механической обработки: фрезерование, сверление, разрезание, токарная обработка.
Заготовки для изготовления пробных образцов — отлитые или экструдированные
пластмассовые прутки, стержни, профили или листы. Механическая обработка даёт
возможность получать образцы с высокой точностью (до ± 0,025 мм) . Во время
механической обработке пластмасс требуется учитывать их специфические
физические свойства, а именно: пластмассы являются хорошими изоляторами, заготовки в процессе механической обработки
могут нагреваться; размеры разогретой детали существенно отличаться от размеров остывшей
из-за высокого коэффициента теплового расширения (КТР): локальный разогрев
может привести к утяжинам, трещинам и деформации образца .На всех этапах
механической обработки необходимо стремиться к устранению внутренних
напряжений, возникающих при изготовлении заготовки , которые могут привести к
изменению размеров со временем.
• Тепло, выделяющее в процессе обработки пластмассовой заготовке, не
рассеивается так же быстро, как в металлах, поэтому температура может
достигнуть значении, соответствующих размягчению материала. Использование
агрессивных охладителей сред необходимо избегать, так как они способствуют
возникновению трещин. Способы охлаждения
как обдув воздухом, мыльные водяные растворы, водяной туман (или распыленная
вода), должны применяться с осторожностью. Охлаждение сжатым воздухом при
механической обработке избавляет от необходимости чистки прототипа.
• При фиксации заготовки перед механической обработкой необходимо убедиться, что локальные деформации,
напряжения в ней отсутствуют, иногда могут потребоваться специальные зажимы
,например для закрепления пластмассовых заготовок используется скотч-лента.
• Для непродолжительной механической обработки допускается использование
обычного инструмента; для длительной обработки необходимо использовать алмазный
инструмент. Инструмент должен быть всегда очень острым, контактные поверхности требуется
тщательно отполировать. Пластмассы, которые подвергают механической обработке,
довольно мало; это полиамиды (ПА), полиформальдегиды (ПФ), поликарбонаты (ПК),
поливинилхлориды (ПВХ),АБС-пластики или другие высокотемпературные материалы,
обладающие высоким модулем упругости. Образцы полученные механической
обработкой или собранные из деталей, изготовленные механической обработкой, не могут дать точные
сведения о влиянии на качество изделия технологических факторов и режимов
эксплуатации . Свойства таких образцов будут существенно отличаться от свойств
отливок, даже если они произведены из одного и того же материала. Иногда
допускается производство образцов изделия механической обработкой пластины,
полученной литьем под давлением из материала, который будет использоваться для
производства серийного изделия, но и в этом случае степень ориентации, характеристики
поверхности, линии спая, а также другие возможные дефекты, возникающие в
процессе литья пластмасс, не будут эквивалентны тем, которые характерны для
серийных изделий .Образцы, произведённый механическим обработкой, могут быть
как дорогими, так и дешевыми — это определяется
их сложностью, требуемого качества и необходимой серии. Во многих
случаях, когда образец служит мастер-моделью для изготовления мелкосерийной пресс-формы,
он требуется в единственном экземпляре, поэтому механическая обработка —
наиболее подходящий вариант. Простые изделия могут оказаться рентабельным при
изготовлении механической обработкой десятка образцов , а для сложных изделий
изготовление механической обработкой даже одного образца нецелесообразно по
экономическим причинам.Станки с ЧПУ дают возможность снизить производственные затраты на
изготовление образцов изделий, имеющих сложную геометрическую форму, например,
модель протеза . Иногда необходимы значительные производственные затраты на фиксацию,
установку, а также ручную чистовую обработку каждого образца изделия по
отдельности. Механическая обработка пластмассовой заготовки до сих пор широко
применяется для производства единичных образцов. Данная технология является
универсальной, так как использует доступное механическое оборудование и
промышленные полимерные материалы.
3. Некоторые технологии быстрого прототипирования
В настоящее время активно развились технологии быстрого прототипирования,
использующие компьютерные CAD-системы. Данные системы сокращают время получения
прототипов полимерных изделий сложной
конфигурации до нескольких часов. Процесс получения образцов подразделяется на следующие этапы:
• создание CAD-модели (получение объемной модели);
• послойное разделение объемной модели на дискретные двухмерные (2D) слои;
• послойное изготовление трехмерной (3D) модели.
Технологии быстрого прототипирования позволяет
устранить неправильную интерпретацию модели изделия изготовителем формы .
3.1 Прототипированис методом
фотополимеризации
Одни из первых коммерческих технологии
прототипирования основаны на фотополимеризации . По технологии, которая была
названа стереолитографией (JSLA, Stereo Lithography Apparatus®) , можно создавать
образцы сложных изделий в течение короткого времени цикла разработки. Процесс
начинается с создания компьютерного оригинал-модели изделия .Далее 3 D-модель разбивается
на поперечные сечения (слои) толщиной
0,005-0,020 дюймов (0,013-0,51 мм) с помощью специальной программы. Построение
сечений изделия протекает слой за слоем снизу вверх до тех пор, пока не будет
полностью получен физический образец. Специальное оборудование для
стереолитографии стоит довольно дорого. Оборудование для стереолитографии
включает в себя УФ-лазер и соответствующую оптическую систему, направляющие зеркала, емкости со светочувствительным
материалом, очистителем поверхности, подъемным устройством, способным совершать
перемещение вдоль оси z с заданным шагом, равным толщине слоя (установка
соединена с моделью, разделенной на слои).Гелий-кадмиевый или ионный аргоновый УФ-лазер генерирует и
фокусирует луч, направляющийся подвижным зеркалом на разнообразные точки на
плоскости х-у . Стол подъемного устройства располагается вблизи поверхности на
расстоянии, равном толщине слоя. Лазер, активирующий реакцию, сканирует
двухмерную поверхность, выполняя перемещения по сложной траектории и «сшивая»
материал в заданных точках — жидкий полимер сшивается в том месте, где его
касается лазерный луч. Следующий слой жидкого полимера растекается на
отвердевшей поверхности, и контур последующего слоя вычерчивается лазером.
Процесс повторяется автоматически до полного построения образца, по окончанию процесса
прототип извлекается, сушится и очищается. Очистка осуществляться спиртом, ультразвуком
или растворителем . Для данного метода применяют разнообразные фотополимеризующиеся жидкости. После «сшивки»
полимерные изделия могут обладать свойствами стекловидных, хрупких, пластичных
или резиноподобных материалов . Степень полимеризации определяется суммарным
количеством световой энергии, абсорбированной светочувствительным полимером.
Чтобы предотвратить избыточное облучение лазером ранее облученных нижних слоев,
свет не должен проникать на глубину, большую определенного значения. В прототипе
должны быть предусмотрены сливные отверстия, чтобы упростить его перемещение в аппарате
во время формования. Извлеченный образец находится, как любой частично «сшитый»
материал, в размягченном состоянии и с ним необходимо обращаться очень
аккуратно. Далее образец помещают на вращающийся стол внутри аппарата для
полимеризации, где под действием УФ-излучения большой интенсивности завершается
процесс «сшивки».
В стереолитографии ранее использовали только хрупкие пластмассы, в данный
момент стали доступны более совершенные полимеры с меньшей усадкой, пластичные
или даже резиноподобные, близкие по свойствам к АБС-пластикам со средними
значениями ударной прочности .
Сейчас на рынке появились новые материалы на основе эпоксидных смол с меньшей
усадкой, чем материалы на основе акрила. Малая усадка позволяет существенно
повысить размерную точность образца . Исходную модель, обычно дорабатывают,
чтобы можно было установить вспомогательные опорные элементы (подпорки). Далее
их удаляют в процессе отделки. Время, требуемое для получения образца, зависит
от сложности изделия. Время формирования слоев можно сократить за счет создания
внутренней пористой структуры, которая заполняет пространство между внутренней
и наружной стенками образца, и полимеризация завершается в ходе последующей «сшивки»
.
Образцы, отверждающиеся по традиционной технологии, напротив, содержат до
40-60% жидкого полимера между твердыми топкими стенками образца, что является
причиной возникновения внутренних напряжений и коробления. Коробление может
происходить даже после извлечения образца из аппарата полимеризации. Чтобы уменьшить
коробление, был создан метод «переплетения», который позволяет быстро достигать
96-98 %-ной степени «сшивки» модели .
Время производства существенно зависит от размера образца и требуемой
точности размеров. Размеры образца, изготовленного по технологии SLA, могут
достигать 45 х 45 х 55 см. Стандартные изделия среднего размера и средней сложности
производят целиком в течение нескольких часов , большие изделия могут быть произведены
по частям, а затем части собираются шпонками или склеивают. Ключевым вопросом
является выбор исходной ориентации прототипа изделия. Образцы, изготовленные методом
фотополимеризации, требуется освобождать
от подпорок и далее проводить чистовую обработку поверхности с помощью ручной
пескоструйной или дробеструйной очистки . После чистовой обработки образца
могут быть окрашены, тонированы или декорированы .
3.2 Лазерное спекание
порошковых материалов
Другой технологией в области быстрого
прототипирования является лазерное спекание порошковых материалов (SLS,
Selective Laser Sintering®) . Метод аналогичен SLA, поскольку, чтобы получить образец,
здесь также применяют мощный лазер. Здесь вместо жидкого фотополимера применяют
порошок термопласта. Этот метод позволяет получать образцы изделия из того же
материала, что и само изделие . Необходимо учитывать, что процессы литья и
спекания сильно отличаются, и образцы, произведённые по SLS, не могут быть полноценной
заменой отлитых моделей изделий . Он начинается с создания объемной модели
изделия в CAD-системе, далее разбивается на поперечные слои толщиной 0,11 до
0,41 мм. После этого образец слой за слоем воссоздается в аппарате, заполненной
термопластом или воском. Лазер генерирует луч, который отражается от
направляющего зеркала, задающего поперечное сечение х-у слоя, перпендикулярного
оси z. В этом случае, в отличие от 51Л-технологии, лазерный луч является не источником
света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает
его частицы и формирует твердую основу в соответствии с конфигурацией изделия.
Поршень, на котором установлена опорная платформа, и формирующийся образец
опускаются на шаг вдоль оси z, а емкость с порошком открывается. Слой порошка
укладывается с помощью выравнивающего валка, далее процесс повторяется. Плюсы
данного метода заключается в том, что неспёкшийся порошок, окружающий
затвердевшие участки изделия, становится опорной структурой, поддерживающей
слабые области изделия . Для прототипирования таким методом можно использовать
любой порошок любого термопласта. При этом мощность лазера должна
соответствовать характеристикам его спекания. Чаще всего для -прототипирования
используют ПК, ПА и ПВХ . Лазерное спекание порошковых материалов можно использовать
для производства оформляющих вставок, матриц и пуансонов при изготовлении мелкосерийных
форм. Матрицы и пуансоны изготавливают напрямую за счет спекания смеси металлического
порошка со связующим полимерным материалом. Далее такие детали разогревают в
печи, где они приобретают пористую металлическую структуру. После этого детали разогревают
в медном фильтрате (медь пропитывает детали) и получают пуансон и матрицу из
плотного твердого сплава . Этот метод позволяет изготавливать за короткое время
не только образцы изделия, но и мелкосерийные пресс-формы непосредственно из
металлического порошка .
3.3 Послойное
наложение расплавленной полимерной нити
Процесс прототииирования методом послойного наложения расплавленной
полимерной нити (FDM, Fused Deposition Manufacturing*®) также начинается с изготовления
разделенной на слои модели, созданной в CAD-системе; толщина слоев составляет 0,035-0,09
мм. Для изготовления образца через экструзионную головку с контролируемой
температурой поступает нить из термопласта диаметром около 0,12 мм. Передвижение
головки в плоскости х-у осуществляется за счёт компьютерного управления .
Горячий полимер тонкими слоями наносится на неподвижное основание. Далее слои
ложатся на предыдущие и отвердевают. При производстве изделия сложной конфигурации
автоматически генерируются опорные элементы для нависающих фрагментов модели. Аппараты
работают с различными «моделирующими» термопластами, которые применяют и в
производстве готовых изделий.FZW-аппараты имеют относительно несложное
устройство, а простота метода позволяет затрачивать на производство образцов считанные
часы . После производства образец можно практически сразу использовать: ему не нужна
длительная дополнительная обработка .
3.4 Прототипирование
склеиванием (ламинированием) слоев
При производстве моделей прототипов ламинированием слоев (ЮМ, Laminated
Object Manufacturing®) тоже применяют лазер на основе двуокиси углерода, на
строенный па глубину одного слоя . Материал, в качестве которого используются
бумага с декоративным покрытием, полимерный или композиционный материал,
находится в рулонах, из которых подается в устройство, где лазер по заданной
траектории вырезает слои, соответствующие поперечным сечениям модели. Толщины
листов, которые применяют в данном методе, составляют 0,05-0,25 мм. Образец производят
послойно (с нижнего слоя до верхнего). Листы укладываются один на другой и
привариваются горячим валком.
3.5 Литье под низким
давлением
Последние достижения в области литья пластмасс привели к широкому
распространению технологии литья под низким давлением , позволяющей производить
относительно большое количество образцов изделий и малые партии готовых изделий
с небольшими затратами на подготовку производства. Метод литья под низким
давлением необходимо сначала создать мастер-модель. Она может быть произведена из
древесины, пластмассы , мягкого металла и будет применена в качестве шаблона для пресс-формы, которую производят
из силикона с отвердителем. Пресс-форма включает в себя две или более части
(компонентов), и поэтому модели требуется
иметь хорошо выраженную линию разъема и места расположения впускных литников.
Из жесткого гипса, который применяют редко, обычно изготавливают простые прототипы — с закругленными краями,
без поднутрений. Одноразовый растворимый в воде гипс даёт возможность изготовить
образец сложной геометрической формы. Гипс имеет относительно короткое время
затвердевания, но для максимальной прочности при толщинах стенок 50-100 мм требуется
до 72 ч . Перед применением форма из гипса должна быть абсолютно сухой. Самым популярным
материалом для пресс-формы остается силикон. Он отлично повторяет структуру
поверхности, имеет долгий срок службы (может выдерживать до 50 циклов), стоек к
химическому воздействию, эластичен (допускает поднутрения ограниченных размеров).
«Быструю» пресс-форму можно изготовить и из других материалов, но тогда
потребуются специальные дополнительные механизмы для извлечения образца.
Современное оборудование для производства пресс-форм, позволяет быстро и
качественно их изготавливать . Смешение силикона с отвердителем происходит
автоматически под вакуумом. Пресс-форма может быть произведена разными методами:
Если образец геометрически относительно не сложен и может быть изготовлен целиком,
то на мастер-модели все отверстия заклеивают липкой лентой, которую наклеивают и
на торец стенки образца по линии будущего разъема пресс-формы, далее закрепляют
литники и выпоры. При необходимости поверхность образца покрывают разделительной
смазкой или специальными лаками для воссоздания необходимой текстуры. Подготовленный таким образом образец
подвешивают в опалубке и заливают силиконом с отвердителем , а опалубку целиком
помещают в установку для дополнительной дегазации. На воздухе производится отверждение при комнатной температуре в
течение 24 ч, затем блок силикона с образцом извлекают из опалубки, разрезают
по волнистой линии острым ножом на 2 части до цветной ленты, которая далее
служит линией разъема. Образец и выпоры извлекают. Если образец сложен конструктивно, например имеет большие
габариты, то может потребоваться изготовление двух полуформ: матрицу и пуансон изготавливают
отдельно и последовательно .Перед началом производства пресс-формы
изготавливают опалубку — из дерева, пластмассы ,металла или пенопласта, которая
должна быть по всем размерам на несколько сантиметров больше образца. Линия
разъема полуформ должна быть сделана с помощью подмодельной плиты или
формовочной глины. Подмодельная плита и глина служат опорой для образца в
процессе производства пресс-формы. После отверждения силикона опалубку с пресс-формой
переворачивают и подмодельную плиту (глину) удаляют. После очистки образец
покрывают разделительной смазкой, и заливают вторую полуформу. Вентиляционные и
литниковые каналы отливают напрямую или производят механически после
отверждения пресс-формы. Литниковой системе необходимо иметь такую
конфигурацию, чтобы она способствовала воздушной вентиляции в момент заполнения
пресс-формы , так как силикон вязкий материал, небольшие отверстия производят с
помощью оформляющих вставок и знаков. Их обычно вытачивают из металла или
отливают из пластмассы и крепятся к верхней полуформе .Вставки увеличивают срок
службы пресс-формы, упрочняя тонкие зоны прототипа, и способствуют извлечению образца
с глубокими поднутрениями. Образец и даже малые партии изделий изготавливают из
эпоксидных смол, термореактивных сложных полиэфиров или полиуретанов в
силиконовых формах. Перед заполнением пресс-формы полимеры с низкой вязкостью
тщательно смешивают и подвергают вакуумной деаэрации. Современные аппараты дают
возможность осуществлять смешение и литье под вакуумом. Все инструменты и
емкости для смешения необходимо тщательно очистить и протереть насухо, так как влага
и загрязнения негативно влияют на процесс отверждения . Предварительный нагрев полимера
позволяет временно снизить его вязкость, что важно для заполнения тонкостенных
участков, но при этом сокращает срок службы заливочной установки. Отверждение образца
происходит в термошкафу, что даёт возможность получить плотную структуру
материала без утяжин . Если отверждение происходит при комнатной температуре,
процесс может длиться до 24 ч, в
зависимости от типа и марки материала. Наибольшее распространение для производства
изделий литьем в силиконовые формы получили полиуретаны. Прочность многих марок
близка к прочности АБС-пластика, но обладают низкой термостойкостью. Огнестойкие
марки полиуретанов имеют уровень защиты от УФ-облучения — 94 V-0 для образцов
толщиной 4,2 мм; также имеются прозрачные марки . Красители либо смешивают с материалом,
либо образец окрашивают уже после отливки. Полиуретаны имеют малую усадку, но
при изготовлении точных размеров готового изделия возникнуть трудности, так что
следует измерять размеры образцов и первый пригодный применять в качестве новой
модели.
