Быстрое прототипирование: описание технологии, назначение и отзывы

Разработка продукции на различных предприятиях нередко предусматривает возможность подготовки макетированных образцов. В них закладываются возможные характеристики будущего изделия, которые на опытной модели заказчик может испытать и внести нужные корректировки. Для оптимизации процесса изготовления таких образцов сегодня используется быстрое прототипирование, которое с минимальными затратами позволяет создавать макеты продукта с высокой точностью.

Назначение технологии

Применение данной системы в первую очередь решает задачи оптимизации процесса оценки и согласования будущего продукта – по крайней мере, в том виде, в котором его на конкретном этапе разработки видят исполнители заказа. Созданный макет позволяет испытать, насколько изделие соответствует поставленным требованиям в плане эргономики эксплуатации, внешнего вида, технико-физических параметров и т. д. Особенно значима возможность практического испытания функциональности продукта. Поскольку образец максимально приближается к подлинному изделию, то его можно встроить в рабочий или производственный процесс, проверяя эффективность. Например, быстрое прототипирование в машиностроении дает возможность с помощью модели корпуса двигателя, выполненной из прозрачного материала, оценить качество циркуляции масла. В сегменте авиастроения таким же способом могут проверяться аэродинамические свойства отдельных компонентов.

Организация технологического процесса

Процесс создания макета посредством данной технологии выполняется в несколько этапов. Изначально составляется перечень характеристик продукта. К этому моменту уже должен быть подготовлен пакет с проектной документацией. Технические сведения направляются в компьютер для обработки, после чего определяются условия создания образца. Общая модель быстрого прототипирования на каждом этапе может выполняться или в автоматизированном режиме, или с участием оператора или же исследовательской группы. Те же характеристики с требованиями к условиям создания макета может определять и сам компьютер в поточном режиме, если в него была заложена соответствующая программа. Или, напротив, подготовку полностью выполняет специальное подразделение со специалистами разного профиля – по дизайну, архитектуре, эргономике и т. д. На финальном этапе в зависимости от технологии инструментальная платформа создает имитацию изделия на основе внесенных данных.

Методы быстрого прототипирования

Принципиальное разделение методов реализации технологии проходит по типу конечного представления макета. На сегодняшний день активно развивается реальное трехмерное создание макетов продукции с помощью 3D-принтеров. В этом направлении можно выделить такие методы, как стереолитография, спекание, распыление и т. д. Наиболее популярные средства ниже будут рассмотрены отдельно. Также существует и широкий пласт методов визуально-компьютерного представления модели изделия. Базовая классификация инструментальных средств (ИС) быстрого прототипирования в этом направлении разделяет методы по уровню применяемого языка, механизмам вывода и отражения информации, платформе для разработки модели. Конкретные средства такого моделирования тоже стоит рассмотреть отдельно.

Средства прототипирования в сфере программирования

Для создания образцов веб-сайтов широко используется инструмент Axure RP. С его помощью пользователь может генерировать HTML в удобную форму документации. В разработке ПО также применяется система Balsamiq Mockups. Особенностью данного инструментария является стилизация представленных продуктов под скетчи. Комплекс CogTool позволяет создавать образцы пользовательских интерфейсов, а также оценивать их эргономику и производительность. У разработчиков будет возможность оценить, сколько времени у среднестатистического пользователя уйдет на решение той или иной задачи. Активно развиваются интерактивные и кроссплатформенные технологии быстрого прототипирования в сфере информационных систем. К таким инструмента можно отнести Coutline и Dreamweaver, которые можно применять в комплексном программировании многоуровневых систем.

Стереолитография

Одна из самых популярных платформ для объемного лазерного прототипирования. Система использует в качестве сырья фотополимеры, а инструментальную основу формирует оптическая начинка. Лазер при помощи ультрафиолетового излучения переносит поперечные сечения подготовленной модели на базу с материалом. После каждого прохода лучом обработанный участок затвердевает. Таким образом последовательно наносятся новые слои, пока не будет реализован макет, соответствующий заданной модели. На сегодняшний день быстрое прототипирование посредством стереолитографии применяется в разных сферах производственной деятельности – от станкостроения до предприятий, занимающихся разработкой высокоточной медицинской техники. Это говорит о доверии технологии, чему есть основания. Достаточно сказать, что погрешность в изготовлении физических деталей этим методом составляет от 0,1 до 0,025 мм.

Селективное спекание

Это технология SLS, которая предполагает использование порошкообразного материала в качестве материальной основы для макетов. Обработка массива тоже производится лазерным лучом, но есть принципиальное отличие от аппарата, который задействует стереолитография. Если в предыдущем примере луч оказывал ультрафиолетовое световое воздействие, то метод SLS использует тепловую энергию излучения. В момент направления на порошкообразную массу луч буквально запекает частицы по контурам, соответствующим целевой детали. Что касается материала для порошка, то чаще всего применяют полистирол, полиамид и даже металлизированный песок. К достоинствам технологии можно отнести работу без задержек и возможность предохранения модели от случайного разрушения или деформирования в процессе создания. Данная техника быстрого прототипирования позволяет выполнять как небольшие макеты, так и масштабные копии, а также функциональные заготовки. С ее помощью, в частности, проектируют детали внутренней начинки автомобилей и наружные декоративные части.

Технология FDM–моделирования

В данном случае рабочая часть представлена не лазерным аппаратом, а экструзионной головкой, которая выдавливает термопластичный материал. Макет формируется послойно в ходе наложения полимерной нити толщиной не более 2 мм. Головка укладывает материал на предварительно подготовленную чистую базу, постепенно воссоздавая форму целевой заготовки. И уже в процессе наложения новых пластов прежние слои кристаллизуются и плотно соединяются между собой. На этой технологии в большинстве случаев и работает стандартная 3D-печать. Быстрое прототипирование, в свою очередь, требует высокой точности, поэтому не всегда использует этот метод. Главным недостатком FDM–моделирования считается шершавая и неровная поверхность получаемого изделия. Связано это с тем, что процесс наложения горячего пластика предполагает эффект оплавления предыдущих слоев. В итоге могут иметь место и существенные погрешности в размерах.

Отзывы о быстром прототипировании

Инструменты прототипирования по большей части вызывают положительные впечатления у пользователей. Отмечается и сокращение временных интервалов на изготовление продукции с подготовкой к серийному выпуску, и снижение ее себестоимости. Как промежуточный этап производства, ускоренное создание макетов дает возможность заранее предусмотреть отклонения от поставленной задачи, что также относят к достоинствам технологии быстрого прототипирования. Применение в высокотехнологичных отраслях, предусматривающих связку с компьютерной техникой, заметно расширяет возможности разработки и начального проектирования макетов. В этом контексте многие указывают и плюсы от взаимодействия с инструментами САПР. Но есть и критика таких систем, которая отмечает высокую стоимость организации процесса и низкую прочность образцов. Последний фактор ограничивает возможности для применения таких методов прототипирования.

В заключение

Конечно, рассмотренные технологии – не единственные средства создания концептуальных моделей на производствах. Более того, традиционные методы физического изготовления макетов имеют множество преимуществ, главным из которых является возможность максимального приближения характеристик к продукту, планируемому для выпуска. В свою очередь, быстрое прототипирование выигрывает за счет скорости изготовления. Это значит, что технология может использоваться в сферах, в которых не принципиальным является выбор материала для макета. Например, предприятие не сможет такими средствами воссоздать полноценную металлическую деталь и проверить ее работоспособность. С другой стороны, имитация формы и отдельных теплофизических свойств востребована многими отраслями независимо от направления деятельности. Даже крупные промышленные комплексы, выпускающие тяжелую технику, задействуют методы прототипирования в испытании отдельных деталей и расходников.