eng
Содержание
Содержание
Предисловие к русскому изданию..................................... 22
Предисловие......................................................................... 23
Глава 1
Введение и описание основных принципов ...................... 28
1.1.
Что такое аддитивное производство? . .................................. 28
1.2.
Где используются изделия АП?........................................... 31
1.3.
Общее представление процесса аддитивного производства . ..... 32
1.3.1.
Этап 1. Проектирование в среде САПР ......................... 33
1.3.2.
Этап 2. Преобразование в STL-файлы ........................... 33
1.3.3.
Этап 3. Перенос STL-файла в машину АП и манипулиро-
вание этими файлами ................................................. 33
1.3.4.
Этап 4. Настройка машины.......................................... 33
1.3.5.
Этап 5. Изготовление . ................................................. 33
1.3.6.
Этап 6. Извлечение изделия......................................... 33
1.3.7.
Этап 7. Последующая обработка ................................... 34
1.3.8.
Этап 8. Применение . ................................................... 34
1.4.
Почему используется термин ¾аддитивное производство¿? ..... 35
1.4.1.
Автоматизированное изготовление (Autofab Automated
Fabrication) ............................................................... 35
1.4.2.
Быстрое прототипирование изделий произвольной формы
(Freeform Fabrication или Solid Freeform Fabrication) ....... 36
1.4.3.
Аддитивное производство или послойный синтез ............ 36
1.4.4.
Стереолитография или трехмерная печать..................... 37
1.4.5.
Быстрое прототипирование . ......................................... 37
1.5.
Преимущества аддитивного производства ............................ 38
1.6.
Различие между аддитивным производством и обработкой на
станках с ЧПУ ................................................................. 39
1.6.1.
Материал .................................................................. 40
1.6.2.
Скорость изготовления................................................ 40
1.6.3.
Сложность ................................................................ 40
1.6.4.
Точность ................................................................... 41
1.6.5.
Геометрическая форма ................................................ 42
1.6.6.
Программирование ..................................................... 42
1.7.
Примеры изделий аддитивного производства........................ 43
1.8.
Другие родственные технологии ......................................... 44
1.8.1.
Технология реверс-инжиниринга. .................................. 45
1.8.2.
Компьютерное моделирование . ..................................... 46
1.8.3.
Тактильная САПР...................................................... 47
1.9.
Об этой книге .................................................................. 48
1.10.
Упражнения .................................................................... 49
Литература ...................................................................... 50
Глава 2
Развитие технологий аддитивного производства ............. 51
2.1.
Введение ......................................................................... 51
2.2.
Компьютеры.................................................................... 52
2.3.
Технология компьютерного моделирования и проектирования. 55
2.4.
Другие технологии, связанные с АП.................................... 60
2.4.1.
Лазеры ..................................................................... 60
2.4.2.
Технологии печати ..................................................... 61
2.4.3.
Программируемые логические контроллеры. .................. 61
2.4.4.
Материалы................................................................ 62
2.4.5.
Обработка с использованием ЧПУ ................................ 63
2.5.
Использование слоев ......................................................... 63
2.6.
Классификация AП процессов ............................................ 65
2.6.1.
Жидкие полимерные композиции ................................. 67
2.6.2.
Системы отдельных частиц.......................................... 68
2.6.3.
Системы с расплавленным материалом ......................... 69
2.6.4.
Системы с твердыми листовыми материалами. ............... 71
2.6.5.
Новая схема классификации технологий аддитивного про-
изводства .................................................................. 71
2.7.
Системы с использованием металлов ................................... 73
2.8.
Гибридные системы .......................................................... 74
2.9.
Основные этапы в развитии АП.......................................... 75
2.10.
Международное распространение АП .................................. 77
2.11.
Перспективы аддитивного производства. Трансформация
быстрого прототипирования в прямое цифровое производство... 79
2.12.
Упражнения .................................................................... 80
Литература ...................................................................... 81
Глава 3
Общая последовательность процесса аддитивного про-
изводства .............................................................................. 83
3.1.
Введение ......................................................................... 83
3.2.
Восемь этапов аддитивного производства . ............................ 84
3.2.1.
Этап 1. Концептуализация изделия и его проектирование
в среде САПР ............................................................ 84
3.2.2.
Этап 2. Преобразование данных САПР в STL/AMF фор-
маты ........................................................................ 86
3.2.3.
Этап 3. Передача STL/AMF файлов на машины АП и их
обработка .................................................................. 88
3.2.4.
Этап 4. Настройка машины.......................................... 89
3.2.5.
Этап 5. Построение изделия......................................... 90
3.2.6.
Этап 6. Извлечение и очистка изделия .......................... 90
3.2.7.
Этап 7. Постобработка изделия .................................... 91
3.2.8.
Этап 8. Применение . ................................................... 91
3.3.
Различия технологий АП................................................... 92
3.3.1.
Системы с использованием фотополимеров .................... 93
3.3.2.
Порошковые системы.................................................. 94
3.3.3.
Системы с расплавленным материалом ......................... 94
3.3.4.
Твердые листовые материалы ...................................... 95
3.4.
Системы с использованием металлов ................................... 96
3.4.1.
Использование подложек . ............................................ 96
3.4.2.
Плотность энергии ..................................................... 96
3.4.3.
Масса изделия ........................................................... 96
3.4.4.
Точность ................................................................... 97
3.4.5.
Скорость производства. ............................................... 97
3.5.
Техническое обслуживание оборудования ............................. 97
3.6.
Вопросы обработки и хранения материалов.......................... 98
3.7.
Проектирование для АП.................................................... 99
3.7.1.
Ориентация изделия ................................................... 99
3.7.2.
Удаление опорных элементов ....................................... 101
3.7.3.
Устройство полостей . .................................................. 101
3.7.4.
Включение ребер жесткости и других фиксирующих эле-
ментов ...................................................................... 102
3.7.5.
Элементы фиксации частей конструкции ....................... 102
3.7.6.
Снижение числа составных деталей изделия при сборке... 103
3.7.7.
Идентификационная маркировка . ................................. 104
3.8.
Области применения, не включающие традиционное модели-
рование в среде САПР ...................................................... 104
3.8.1.
Медицинское моделирование . ....................................... 104
3.8.2.
Данные реверс-инжиниринга. ....................................... 105
3.8.3.
Архитектурное моделирование ..................................... 105
3.9.
Дальнейшие перспективы .................................................. 105
3.9.1.
Упражнения .............................................................. 106
Литература ...................................................................... 107
Глава 4
Процесс фотополимеризации в ванне ............................... 108
4.1.
Введение ......................................................................... 108
4.2.
Материалы для фотополимеризации в ванне ........................ 111
4.2.1.
УФ-отверждаемые фотополимеры. ................................ 111
4.2.2.
Обзор химии фотополимеров ....................................... 113
4.2.3.
Композиции полимеров и механизмы реакций ................ 116
4.3.
Скорость реакции ............................................................. 120
4.4.
Фотополимеризация в ванне с лазерным сканированием. ........ 121
4.5.
Моделирование процесса фотополимеризации . ...................... 122
4.5.1.
Энергетическая освещенность и экспозиция ................... 123
4.5.2.
Взаимодействие ЛИ и полимера ................................... 126
4.5.3.
Фотоскорость. ............................................................ 129
4.5.4.
Временная шкала ....................................................... 130
4.6.
Векторное сканирование в машинах для VP ......................... 131
4.7.
Способы сканирования ...................................................... 134
4.7.1.
Явления и ошибки, встречающиеся при послойном синте-
зе изделий ................................................................. 134
4.7.2.
Шаблон лазерного сканирования WEAVE ..................... 137
4.7.3.
Способ лазерного сканирования STAR-WEAVE.............. 139
4.7.4.
Шаблон (решетка) лазерного сканирования ACES .......... 142
4.8.
Микрофотополимеризация в ванне с векторным сканированием 146
4.9.
Технологии и процессы проекционной фотополимеризации
в ванне с использованием масок.......................................... 148
4.9.1.
Технологии проекционной фотополимеризации в ванне
с использованием масок .............................................. 148
4.9.2.
Коммерческие системы для MPVP ............................... 150
4.9.3.
Моделирование для MPVP .......................................... 151
4.10.
Двухфотонная фотополимеризация в ванне.......................... 153
4.11.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 155
4.12.
Заключение ..................................................................... 156
4.13.
Упражнения .................................................................... 157
Литература ...................................................................... 159
Глава 5
Плавление порошков в сформированном слое................. 163
5.1.
Введение ......................................................................... 163
5.2.
Материалы ...................................................................... 165
5.2.1.
Полимеры и композиты на их основе............................. 165
5.2.2.
Металлы и композиты на их основе .............................. 168
5.2.3.
Керамика и керамические композиты............................ 169
5.3.
Механизмы спекания порошков .......................................... 170
5.3.1.
Твердофазное спекание ............................................... 170
5.3.2.
Химически индуцированное спекание ............................ 174
5.3.3.
ЖФС и частичное плавление ....................................... 175
5.3.4.
Полное плавление. ...................................................... 180
5.3.5.
Изготовление изделий ................................................. 181
5.4.
Параметры технологического процесса и моделирование ........ 183
5.4.1.
Параметры технологического процесса .......................... 183
5.4.2.
Соотношения между использованной энергией и способом
сканирования............................................................. 186
5.5.
Работа с порошками.......................................................... 190
5.5.1.
Выбор способа подачи порошка .................................... 190
5.5.2.
Системы подачи порошков........................................... 191
5.5.3.
Восстановление порошка после обработки ...................... 193
5.6.
Варианты процессов PBF и коммерческие машины ............... 195
5.6.1.
Лазерное спекание полимеров ...................................... 195
5.6.2.
Лазерные системы для обработки металлов и керамики. .. 199
5.6.3.
Электронно-лучевое плавление..................................... 202
5.6.4.
Линейные и послойные режимы PBF процессов для поли-
меров........................................................................ 207
5.7.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 210
5.8.
Заключение ..................................................................... 212
5.9.
Упражнения .................................................................... 212
Литература ...................................................................... 213
Глава 6
Экструзионные системы ..................................................... 214
6.1.
Введение ......................................................................... 214
6.2.
Основные принципы.......................................................... 215
6.2.1.
Загрузка материала .................................................... 216
6.2.2.
Разжижение материала ............................................... 217
6.2.3.
Экструзия ................................................................. 218
6.2.4.
Отверждение ............................................................. 221
6.2.5.
Управление ориентацией изделия ................................. 222
6.2.6.
Связывание ............................................................... 223
6.2.7.
Генерация поддержек. ................................................. 224
6.3.
Управление построением и траекториями движения .............. 226
6.4.
FDM процесс, разработанный компанией Stratasys ................ 231
6.4.1.
Типы машин FDM...................................................... 232
6.5.
Материалы ...................................................................... 234
6.6.
Ограничения FDM............................................................ 236
6.7.
Биоэкструзия ................................................................... 237
6.7.1.
Формирование геля .................................................... 238
6.7.2.
Экструзия расплава.................................................... 239
6.7.3.
Архитектура скаффолдов . ........................................... 240
6.8.
Другие системы................................................................ 241
6.8.1.
Контурное изготовление . ............................................. 241
6.8.2.
Непланарные системы................................................. 242
6.8.3.
FDM керамики .......................................................... 244
6.8.4.
RepRap и Fab@home ................................................... 244
6.9.
Упражнения ................................................................... 246
Литература ...................................................................... 246
Глава 7
Распыление материала методом струйной печати........... 248
7.1.
Развитие печати как процесса аддитивного производства ....... 249
7.2.
Материалы для распыления методом струйной печати........... 250
7.2.1.
Полимеры ................................................................. 250
7.2.2.
Керамика .................................................................. 254
7.2.3.
Металлы ................................................................... 255
7.2.4.
Осаждение растворов и взвесей .................................... 258
7.3.
Основы обработки материалов............................................ 259
7.3.1.
Технические проблемы распыления материалов .............. 259
7.3.2.
Технологии формирования капель ................................ 262
7.3.3.
Непрерывный режим распыления ................................. 262
7.3.4.
Режим распыления DOD............................................. 264
7.3.5.
Другие методы формирования капель ........................... 266
7.4.
Моделирование процесса распыления материалов ................. 268
7.5.
Машины для распыления материалов. ................................. 273
7.6.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 274
7.7.
Заключение ..................................................................... 276
7.8.
Упражнения .................................................................... 277
Литература ...................................................................... 279
Глава 8
Распыление связующего для струйной печати ................ 283
8.1.
Введение ......................................................................... 283
8.2.
Материалы ...................................................................... 286
8.2.1.
Материалы, продаваемые на рынке............................... 286
8.2.2.
Исследование керамических материалов ........................ 288
8.3.
Варианты процесса ........................................................... 290
8.4.
Машины для распыления связующего ................................. 293
8.5.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 296
8.6.
Заключение ..................................................................... 298
8.7.
Упражнения .................................................................... 299
Литература ...................................................................... 300
Глава 9
Процессы ламинирования листовых (слоистых)
материалов ........................................................................... 302
9.1.
Введение ......................................................................... 302
9.1.1.
Склеивание, или адгезивное связывание ........................ 303
9.1.2.
Процессы ¾соединение-раскрой¿. .................................. 303
9.1.3.
Процессы ¾раскрой-соединение¿. .................................. 306
9.2.
Материалы ...................................................................... 309
9.3.
Основы обработки материалов. ........................................... 311
9.3.1.
Термоскрепление . ....................................................... 311
9.3.2.
Прессование листового металла .................................... 313
9.4.
Ультразвуковое аддитивное производство ............................ 314
9.4.1.
Качество соединения слоев методом УАП ...................... 317
9.4.2.
Основы ультразвуковой сварки металлов ....................... 318
9.4.3.
Параметры процесса УАП и их оптимизация.................. 320
9.4.4.
Микроструктуры и механические свойства изделий УАП . 323
9.4.5.
Приложения УAП ...................................................... 328
9.5.
Заключение ..................................................................... 332
9.6.
Упражнения .................................................................... 333
Литература ...................................................................... 334
Глава 10
Процессы направленного энерговклада ............................ 336
10.1.
Введение ......................................................................... 336
10.2.
Общее описание процесса направленного энерговклада .......... 339
10.3.
Подача материала. ............................................................ 340
10.3.1.
Подача порошка ......................................................... 340
10.3.2.
Подача проволоки ...................................................... 344
10.4.
Системы направленного энерговклада ................................. 345
10.4.1.
Процессы лазерной наплавки металла ........................... 345
10.4.2.
Процессы нанесения металла с применением электронного
пучка........................................................................ 349
10.4.3.
Прочие процессы DED ................................................ 350
10.5.
Параметры процесса ......................................................... 351
10.6.
Типичные материалы и микроструктура.............................. 352
10.7.
Взаимосвязь обработки, структуры и свойств ....................... 356
10.8.
Преимущества и недостатки DED ....................................... 361
10.9.
Упражнения .................................................................... 364
Литература ...................................................................... 364
Глава 11
Технологии прямой записи................................................. 365
11.1.
Технологии прямой записи ................................................. 365
11.2.
История вопроса............................................................... 365
11.3.
ПЗ с использованием чернил .............................................. 366
11.3.1.
Процесс распыления форсункой ................................... 368
11.3.2.
Шпиндельные системы................................................ 370
11.3.3.
Процессы струйной печати чернилами. .......................... 372
11.3.4.
Аэрозольная ПЗ ......................................................... 373
11.4.
ПЗ методом лазерного переноса .......................................... 376
11.5.
ПЗ термическим напылением ............................................. 378
11.6.
ПЗ методом осаждения потоком частиц ............................... 380
11.6.1.
Лазерное CVD ........................................................... 381
11.6.2.
Химическое осаждение из паровой фазы фокусированным
пучком ионов............................................................. 383
11.6.3.
CVD с электронным пучком ........................................ 384
11.7.
Прямое осаждение из жидкой фазы .................................... 384
11.8.
Пучковые методы корректировки для аддитивных/
субтрактивных подходов ПЗ............................................... 386
11.8.1.
Запись пучком электронов ........................................... 386
11.8.2.
Запись пучком сфокусированных ионов......................... 387
11.8.3.
Запись лазерным пучком............................................. 387
11.9.
Гибридные технологии ...................................................... 388
11.10.
Использование методов ПЗ ................................................ 388
11.11.
Упражнения .................................................................... 391
Литература ...................................................................... 391
Глава 12
Преимущества бюджетных систем АП............................. 394
12.1.
Введение ......................................................................... 394
12.2.
Интеллектуальная собственность ........................................ 395
12.3.
Прорывная инновация....................................................... 398
12.3.1.
Возможности прорывного бизнеса................................. 398
12.3.2.
Внимание средств массовой информации . ...................... 399
12.4.
Движение новаторов ......................................................... 401
12.5.
Будущее бюджетных систем АП ......................................... 403
12.6.
Упражнения .................................................................... 404
Литература ...................................................................... 404
Глава 13
Руководство по выбору процесса....................................... 406
13.1.
Введение ......................................................................... 406
13.2.
Методы выбора для изделий .............................................. 407
13.2.1.
Теория принятия решений ........................................... 407
13.2.2.
Методы определения приемлемости .............................. 409
13.2.3.
Методы выбора .......................................................... 411
13.2.4.
Пример выбора .......................................................... 415
13.3.
Проблемы выбора ............................................................. 419
13.4.
Пример системы для предварительного выбора .................... 422
13.5.
Планирование и контроль производства . .............................. 429
13.5.1.
Планирование производства. ........................................ 429
13.5.2.
Предварительная обработка ......................................... 430
13.5.3.
Изготовление детали................................................... 431
13.5.4.
Последующая обработка.............................................. 431
13.5.5.
Выводы .................................................................... 432
13.6.
Нерешенные проблемы ...................................................... 432
13.7.
Упражнения .................................................................... 433
Литература ...................................................................... 434
Глава 14
Постобработка...................................................................... 436
14.1.
Введение ......................................................................... 436
14.2.
Удаление поддерживающего материала ............................... 436
14.2.1.
Постобработка естественной поддержки ........................ 437
14.2.2.
Удаление искусственной поддержки . ............................. 439
14.3.
Улучшение текстуры поверхности ....................................... 442
14.4.
Повышение точности......................................................... 443
14.4.1.
Источники неточности ................................................ 443
14.4.2.
Предварительная обработка модели для компенсации по-
терь точности ............................................................ 444
14.4.3.
Стратегия механической обработки............................... 445
14.5.
Улучшение эстетического восприятия .................................. 450
14.6.
Подготовка к использованию в качестве модели .................... 451
14.6.1.
Модели для литья по выплавляемым моделям................ 452
14.6.2.
Модели для литья в песчаные формы ........................... 453
14.6.3.
Другие методы копирования модели ............................. 454
14.7.
Улучшение свойств с помощью нетепловых методов .............. 456
14.8.
Улучшение свойств с помощью тепловых методов ................. 456
14.9.
Выводы........................................................................... 460
14.10.
Упражнения .................................................................... 460
Литература ...................................................................... 461
Глава 15
Задачи программного обеспечения в аддитивном произ-
водстве .................................................................................. 462
15.1.
Введение ......................................................................... 462
15.2.
Подготовка моделей САПР: файл STL................................. 463
15.2.1.
Формат файла STL, бинарный/ASCII ........................... 463
15.2.2.
Создание файлов STL из системы САПР....................... 465
15.2.3.
Расчет каждого профиля сечения ................................. 466
15.2.4.
Зависящие от технологии элементы. .............................. 472
15.3.
Проблемы с файлами STL ................................................. 475
15.4.
Манипуляции с STL-файлом .............................................. 477
15.4.1.
Программы просмотра ................................................ 478
15.4.2.
STL манипуляции на установках АП............................. 478
15.5.
За пределами файла STL................................................... 480
15.5.1.
Прямое разбиение модели САПР .................................. 480
15.5.2.
Цветовые модели........................................................ 481
15.5.3.
Сложные материалы. .................................................. 482
15.5.4.
Применение STL для механической обработки. ............... 482
15.6.
Дополнительное ПО в помощь АП ...................................... 483
15.6.1.
Обзор функций ПО .................................................... 483
15.6.2.
Моделирование процесса АП с помощью конечно-элемент-
ного анализа.............................................................. 485
15.7.
Формат файла аддитивного производства ............................ 487
15.8.
Упражнения .................................................................... 489
Литература ...................................................................... 489
Глава 16
Прямое цифровое производство ........................................ 491
16.1.
Компания Align Technology................................................ 492
16.2.
Компании Siemens и Phonak............................................... 494
16.3.
Индивидуальное изготовление обуви и другие примеры ПЦП . 497
16.4.
Движущие силы ПЦП ....................................................... 501
16.5.
Производство против прототипирования .............................. 504
16.6.
Оценки затрат.................................................................. 507
16.6.1.
Модель затрат ........................................................... 507
16.6.2.
Модель времени построения......................................... 509
16.6.3.
Пример сканирования лазером в ванне с фотополимером . 513
16.7.
Учет затрат в ходе жизненного цикла изделия ..................... 514
16.8.
Перспективы ПЦП............................................................ 517
16.9.
Упражнения .................................................................... 518
Литература ...................................................................... 520
Глава 17
Проектирование для аддитивного производства ............. 521
17.1.
Мотивация ...................................................................... 522
17.2.
Проектирование с учетом требований производства и сборки.. 523
17.3.
Уникальные возможности AП ............................................ 527
17.3.1.
Сложные формы ........................................................ 528
17.3.2.
Сложная иерархия ..................................................... 529
17.3.3.
Функциональная сложность . ........................................ 531
17.3.4.
Сложные материалы................................................... 534
17.4.
Принципы и цели базового ПАП......................................... 535
17.4.1.
Сложная геометрия .................................................... 536
17.4.2.
Интегрированные сборки............................................. 536
17.4.3.
Индивидуальная геометрия ......................................... 537
17.4.4.
Многофункциональные конструкции............................. 537
17.4.5.
Устранение традиционных ограничений ПИС................. 538
17.5.
Исследование свободы проектирования . ............................... 538
17.5.1.
Объединение деталей и повторное проектирование .......... 539
17.5.2.
Иерархические структуры ........................................... 540
17.5.3.
Примеры промышленного проектирования. .................... 543
17.6.
Инструменты САПР для АП.............................................. 545
17.6.1.
Проблемы САПР........................................................ 545
17.6.2.
Твердотельные САПР................................................. 547
17.6.3.
Перспективные технологии САПР ................................ 549
17.7.
Методы синтеза................................................................ 554
17.7.1.
Теоретически оптимальные облегченные конструкции ..... 554
17.7.2.
Методы оптимизации . ................................................. 555
17.7.3.
Оптимизация топологии .............................................. 556
17.8.
Заключение ..................................................................... 562
17.9.
Упражнения .................................................................... 563
Литература ...................................................................... 563
Глава 18
Быстрое изготовление инструмента .................................. 566
18.1.
Введение ......................................................................... 566
18.2.
Прямое АП для ИФ вкладышей.......................................... 568
18.3.
Электроды-инструменты. ................................................... 573
18.4.
Литье по выплавляемым моделям....................................... 575
18.5.
Другие системы................................................................ 575
18.5.1.
Инструментальная оснастка для вакуумного формования 576
18.5.2.
Оснастка для формования волокнистой массы (пульпы) .. 577
18.5.3.
Оснастка для производства композитов . ........................ 577
18.5.4.
Сборочный инструмент и зажимы для снятия показаний
при измерениях.......................................................... 578
18.6.
Упражнения .................................................................... 579
Литература ...................................................................... 580
Глава 19
Применения АП .................................................................. 581
19.1.
Введение ......................................................................... 581
19.2.
История развития............................................................. 582
19.2.1.
Важность физических моделей..................................... 583
19.2.2.
Функциональные испытания ........................................ 584
19.2.3.
Быстрое изготовление ИО ........................................... 585
19.3.
Применение АП для поддержки медицинских приложений. .... 587
19.3.1.
Хирургические и диагностические средства ................... 588
19.3.2.
Разработка протезов ................................................... 590
19.3.3.
Производство. ............................................................ 592
19.3.4.
Тканевая инженерия и трехмерная печать органов.......... 593
19.4.
Программная поддержка в медицинских приложениях. .......... 594
19.5.
Ограничения АП для медицинских приложений ................... 596
19.5.1.
Скорость ................................................................... 597
19.5.2.
Цена......................................................................... 598
19.5.3.
Точность ................................................................... 598
19.5.4.
Материалы................................................................ 599
19.5.5.
Простота использования . ............................................. 599
19.6.
Дальнейшее развитие медицинских приложений АП.............. 600
19.6.1.
Разрешения ............................................................... 600
19.6.2.
Страхование .............................................................. 601
19.6.3.
Подготовка технического персонала .............................. 601
19.6.4.
Расположение установки.............................................. 602
19.6.5.
Сервисные бюро обслуживания .................................... 602
19.7.
Применение в аэрокосмической промышленности . ................. 603
19.7.1.
Характеристики, благоприятствующие АП .................... 603
19.7.2.
Производство продукции ............................................. 604
19.8.
Применение в автомобильной промышленности .................... 608
19.9.
Упражнения .................................................................... 609
Литература ...................................................................... 610
Глава 20
Возможности для бизнеса и будущее АП......................... 612
20.1.
Введение ......................................................................... 612
20.2.
Что может быть нового? .................................................... 615
20.2.1.
Новые виды продукции ............................................... 615
20.2.2.
Новые типы организаций............................................. 617
20.2.3.
Новые типы занятости ................................................ 619
20.3.
Цифровое предпринимательство (ЦП) ................................. 621
20.4.
Заключение .................................................................... 625
20.5.
Упражнения .................................................................... 626
Литература ...................................................................... 626
Предметный указатель .......................................................
Предисловие к русскому изданию
Я был очень рад, когда услышал, что профессор Игорь Шишковский бу-
дет научным редактором русского издания нашей монографии. Обладая
многолетним и богатым опытом в данной области, этот известный ученый
и педагог сможет гарантировать как техническую точность, так и ясность
изложения. Поскольку русский язык является одним из самых распро-
страненных языков в мире, этот перевод позволит значительно расширить
аудиторию, которая сможет впервые получить доступ к данной информа-
ции. Я надеюсь, что исследователи, студенты и преподаватели найдут эту
книгу прекрасным дополнением к своей коллекции, и что она расширит
их познания в быстро развивающихся областях аддитивных технологий.
Брент Стакер
профессор, университет Луисвилля (Кентукки, США)
Предисловие
Благодарим вас за внимание, уделенное нашей книге о технологиях адди-
тивного производства (АП Additive Manufacturing). Мы надеемся, что
она принесет пользу и оправдает затраченные на чтение время и силы,
и тогда вы посчитаете нашу работу стоящим начинанием. Все началось во
время обсуждения этой темы на конференции в Португалии, когда было
решено собрать все литературные источники, посвященные целям и за-
дачам АП. Поскольку мы не только друзья, а также и коллеги, казалось
разумным объединить усилия, а не конкурировать ведь распределение
нагрузки и использование сильных сторон друг друга, несомненно, приве-
дет к большим результатам с меньшими затратами.
Мы написали эту книгу, потому что все работаем в области AП в тече-
ние многих лет. Хотя ни одного из нас нельзя назвать старым, все вместе
мы обладаем 60-летним опытом, и у каждого из нас есть устойчивая репу-
тация как педагогов и исследователей в этой области. Все мы следили, как
технологии, описанные в этой книге, формируются, развиваются и пре-
вращаются в серьезные коммерческие инструменты, с десятками тысяч
пользователей и ежегодным производством многих миллионов изделий
с помощью машин AП. Информация об АП в настоящее время включена
в учебные программы во многих университетах, политехнических кол-
леджах и институтах по всему миру. Все большее количество студентов
изучает эти технологии, однако мы с сожалением наблюдаем, что пока от-
сутствует единый учебник по этой дисциплине, так необходимый для таких
программ. Мы считаем, что первое издание этой книги и является по-
добным учебником, поэтому на основании второго, обновленного издания,
представленного здесь, мы надеемся, что смогли еще в большей степени
улучшить наше начинание.
Под термином "аддитивное производство" понимается спектр техноло-
гий, которые способны на основе данных о виртуальных моделях твердых
тел изготавливать физические модели в результате быстрых и легких про-
изводственных процессов. Данные моделирования разбиваются на серии
данных о двумерных сечениях конечной толщины. Затем эти данные за-
гружают в машины АП, которые можно объединить, чтобы они все вместе
последовательно слой за слоем добавляли материал, в результате форми-
руя изделия на физическом уровне. Следовательно, машины АП абсолют-
но точно воспроизводят геометрические параметры детали без необходи-
мости регулировки и настройки таких производственных процессов, как
изготовление оснастки, обработка подсечек, соблюдение углов уклона или
других функций. Поэтому с полным правом мы можем сказать, что изго-
товление изделий на машинах АП это процесс по принципу "строишь
то, что видишь" (WYSIWYB What You See Is What You Build), кото-
рый имеет особенно высокую ценность при изготовлении изделий сложной
геометрической формы. Этот основной принцип заложен в конструкцию
почти всех машин АП с вариациями в каждой технологии, обусловленны-
ми методами, используемыми для создания слоев и склеивания их вместе.
Другими факторами влияния можно назвать скорость изготовления, тол-
щину слоя, тип исходного материала, точность и стоимость изготовления.
При таком обилии переменных становится ясно, почему эта книга получи-
лась такой большой и подробной. Несмотря на это, у нас в запасе остается
еще много информации, которую следовало бы предоставить читателям.
Первые три главы этой книги дают обзор основных процессов АП.
Не увлекаясь полным описанием каждой технологии, мы предоставля-
ем оценку, из которой становится понятным, почему АП так важно для
многих отраслей промышленности. Мы кратко описываем быстрое разви-
тие этой технологии от скромного, но многообещающего начала, все еще
требующего больших усилий для развития, к тому результату, который
в настоящее время находится на стадии зрелости и демонстрирует ре-
альную пользу для проектных организаций по разработке продуктов. Мы
надеемся, что после прочтения этих глав вы узнаете основы работы АП.
В следующих девяти главах (глава 4–12) мы по очереди подробно пред-
ставим каждую группу технологий. Основы каждой технологии рассмат-
риваются с точки зрения основного процесса, идет ли речь о фотополи-
мерном отверждении, спекании, плавлении или других процессах, поэтому
читатель сможет правильно оценить, какие факторы необходимы для по-
нимания, развития и оптимизации каждой технологии. Большинство об-
суждаемых в этой книге технологий были переведены на коммерческие
рельсы, как минимум, одной компанией; оборудование, используемое в по-
добных производствах, описано наряду с обсуждением о том, как выбрать
его наилучшие модели. Последняя глава из этой группы сосредоточена на
недорогих процессах и машинах, ее текст частично пересекается с частью
материала из предыдущих глав, но мы считаем, что подобное отношение
оправдано с точки зрения растущего в геометрической прогрессии инте-
реса к этому недорогому оборудованию.
Из заключительных глав вы узнаете, как применять аддитивные тех-
нологии в различных условиях. Во-первых, мы рассмотрим методы отбора
для сортировки множества вариантов, касающихся типа машины, которую
вы хотите купить применительно к вашему приложению АП, и предоста-
вим рекомендации по правильному выбору технологий для ваших целей.
Так как все машины АП зависят от программного обеспечения 3D САПР,
мы переходим к обсуждению всего технологического процесса проектиро-
вания. После этого мы рассмотрим методы и технологии постобработки,
чтобы в случае неоптимального выбора машины и материала, которые
оказались не до конца подходящими для точного производства нужных
вам изделий, у вас была возможность для улучшения их характеристик и
внешнего вида. Глава, посвященная вопросам программного обеспечения
AП, завершает эту группу глав.
Технологии AП усовершенствовались до такой степени, что многие
производители рассматривают машины АП как средства производства ко-
нечного продукта. Такой подход назван прямым цифровым производством
(Direct Digital Manufacturing,), что открывает двери для многих интерес-
ных и инновационных приложений, которые в прошлом считались невоз-
можными, неосуществимыми или нерентабельными. Теперь мы можем рас-
смотреть возможность массовой кастомизации (изготовления продукции
по конкретным техническим требованиям заказчика), при которой изделие
может быть изготовлено в соответствии со вкусами отдельного потребите-
ля, но за рентабельную цену. Затем мы обсудим, как использование этой
технологии влияет на процесс проектирования и его улучшение с учетом
подхода WYSIWYB. Это плавно переводит нас к объектам приложения
AП, в том числе инструментам и продукции для медицинской, аэрокосми-
ческой и автомобильной промышленности. Мы заканчиваем книгу главой
о бизнесе или применении на уровне предприятия различных направле-
ний AП, исследуя, как эти системы позволяют креативным предприятиям
и предпринимателям придумывать новые продукты, а также описываем
перспективные в будущем области приложения АТ.
Эта книга в первую очередь предназначена для студентов и препода-
вателей, изучающих АП, либо может пригодиться в качестве автономного
курса или как модуль в большой программе по технологии производства.
В ней достаточно глубоко представлена информация об АП, чтобы быть
полезной для студентов или аспирантов, она сопровождается многочис-
ленными ссылками на литературные источники, чтобы указать молодым
людям, изучающим этот предмет, направления дальнейшего поиска. Каж-
дая глава имеет также ряд вопросов и упражнений, предназначенных для
тестирования знаний читателя и расширения понимания предмета. В по-
мощь педагогам в комплекте и как часть второго издания идет руководство
с инструкциями, которое включает дополнительные задания и их решения.
Разработчики AП также найдут полезные сведения в этой книге, посколь-
ку она поможет им понять состояние дел в области и укажет возможности
для дальнейших исследований.
В новой редакции книги мы сделали ряд изменений по сравнению с из-
данием 2009 года. Кроме того, мы собрали всю возможную информацию
об изменениях в этой отрасли, которую разместили в ряде новых раз-
делов и глав. Так, была расширена глава о медицинских приложениях,
в нее мы включили обсуждение приложений для автомобильной и аэрокос-
мической отрасли. Представлена новая глава по быстрому изготовлению
оснастки, а также глава, посвященная недавним достижениям в секторе
недорогих AП. Мы вставили описание спектра последних технологиче-
ских инноваций, в том числе обсуждение нового формата файлов для
аддитивных технологий (Additive Manufacturing File Format), а также дру-
гие дополнения, сопровождающие стандартизацию AП в ASTM (American
Society for Testing and Materials Американское общество специалистов по
испытаниям материалов) и ISO. Мы обновили терминологию в тексте, что-
бы соответствовать терминологии, разработанной комитетом ASTM F42,
который также был принят в качестве международного стандарта ISO.
Во втором издании мы тщательно отредактировали текст, удалили ссыл-
ки на технологии, принадлежащие отдельным компаниям, а вместо этого
сосредоточились на технологических принципах и общем представлении
этих технологий. Мы разделили исходную главу, посвященную процессам
печати, на две главы: о разбрызгивании материала и связующего, чтобы
отразить стандартную терминологию и эволюцию этих процессов в раз-
ных направлениях. Мы уверены, что в результате этих многочисленных
дополнений и изменений настоящее издание стало более полным.
Однако, несмотря на наши усилия, мы понимаем, что книга о такой
быстро меняющейся технологии не долго будет источником самой свежей
информации. Поэтому мы будем обновлять наш курс на сайте http://www.
springer.com/978-1-4419-1119-3, публикуя там дополнительные домашние
упражнения для студентов и новые материалы для педагогов. Если у вас
есть комментарии, вопросы или предложения по улучшению, они будут
только приветствоваться. Мы ожидаем обновления этой книги в будущем
и с нетерпением ждем ваших комментариев о том, как вы использовали
эти материалы, и пожеланий по улучшению нашей книги.
Как упоминалось ранее, каждый автор является признанным специа-
листом в области аддитивных технологий, имеющим многолетний опыт
работы и исследований. Кроме того, во многих отношениях появление
этой книги стало возможным только благодаря участию в наших работах
студентов и коллег, с которыми мы сотрудничали на протяжении многих
лет. Для представления авторов и некоторых других участников процесса
издания книги мы заканчиваем это предисловие краткими биографиями
авторов и благодарностями.
Ян Гибсон (Сингапур),
Давид Розен (Атланта, Джорджия, США),
Брент Стакер (Луисвилл, Кентукки, США)
Благодарности
Доктор Брент Стакер благодарит штатЮта и Технический исследователь-
ский центр VTT Финляндии за предоставление времени для работы над
первым изданием этой книги и творческого отпуска в Хельсинки; а также
Университет Луисвилля за свободный график преподавательской работы
и создание условий для творчества, которые были так необходимы для за-
вершения второго издания книги. Кроме того, написание большей части
этой книги не стало бы возможным без исследований аспирантов и док-
торантов, которые работали с доктором Стакером на протяжении многих
лет. В частности, он хотел бы поблагодарить доктора Г.Д. Джанаки Рам
из Индийского технологического института в Мадрасе, который выступил
соавтором главы ¾Аддитивные технологии на основе послойного синтеза¿
в справочнике CRC Materials Processing Handbook. Эта его работа очень
помогла со структурированием текста нашей книги. Кроме того, работы
следующих студентов стали частью информации, излагаемой в этой кни-
ге и в сопровождающих ее учебных заданиях: Муни Малхотра, Сючжи
Ку, Карсон Эсплин, Адам Смит, Джошуа Джордж, Кристофер Робинсон,
Янжи Ян, Мэтью Суонк, Джон Обелодан, Кай Цзэн, Хайцзюнь Гун, Сяо-
дун Син, Хенфен Гу, Мд. Анам, Хачикет Патил и Дипанкар Пал. Особую
благодарность доктор Стакер выражает своей жене Гейл и детям Тристи,
Эндрю, Меган и Эмме, которые терпеливо поддерживали его во время
работы над этой книгой в течение многих дней и вечеров.
Профессор Давид У. Розен выражает благодарность Технологическому
институту Джорджии за поддержку и благодарит многих аспирантов и
постдоков, которые своими работами способствовали созданию этой книги.
В частности, этого доктора: Фэй Дин, Амит Джаривала, Скотт Джонстон,
Амейя Лимайе, Дж. Марк Мичем, Беней Сагер, Л. Ангела Це, Гончинь
Ван, Крис Уильямс, Юн Ян и Венчао Чжоу, а также Лорен Марголин и
Ксиаюн Чжао. Особая благодарность его жене Джоан и детям Эрику и
Кристе за их терпение, которое они проявляли к нему во время работы
над этой книгой.
Профессор Ян Гибсон хотел бы отметить поддержку Университета Ди-
кин, которая выражалась в предоставлении достаточного времени для его
работы над этой книгой. Л.К. Ананд также помог в подготовке многих
рисунков и изображений для написанных Я. Гибсоном глав. Наконец, он
хотел бы поблагодарить свою любимую жену Лину за ее терпение, любовь,
понимание, проявленные в течение долгих часов подготовки материала и
написания глав. Он также посвящает эту книгу своему покойному отцу
Роберту Эрвину Гибсону и надеется, что он бы гордился этим замечатель-
ным достижением своего сына.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ
Аннотация
Технология, описанная в этой книге, изначально была названа быстрым
прототипированием. Термин «быстрое прототипирование» (БП, RP —
Rapid Prototyping) используется в различных отраслях промышленности
для описания процесса быстрого изготовления модели или макета сис-
темы или ее части перед окончательным запуском в производство или
коммерциализацией. Иными словами, акцент делается на быстром созда-
нии прототипа или базовой модели, на основе которой можно было бы
в дальнейшем разрабатывать более точные модели и в итоге получить
конечный продукт. Консультанты по вопросам управления и инженеры-
программисты используют термин «быстрое прототипирование» для опи-
сания своих процессов развития бизнеса и программных подходов в виде
кусочно-слоеных моделей-прототипов, что позволяет клиентам и другим
заинтересованным сторонам проверить реализацию идеи и обеспечить об-
ратную связь в процессе разработки. В контексте разработки продукции
термин .быстрое прототипирование. широко используется для описания
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным. Эта книга посвящена именно таким новейшим тех-
нологиям, разработанным для изготовления прототипов, но в настоящее
время применяющимся и для многих других целей.
1.1. Что такое аддитивное производство?
Аддитивное производство — это официальный термин для обозначения
процессов, которые ранее определялись как быстрое прототипирование,
а в широком использовании — Трехмерная печать. Термин «быстрое про-
тотипировани» (БП, RP — Rapid Prototyping) используется в различных
отраслях промышленности для описания быстрого представления системы
или ее части перед выпуском конечного продукта или коммерциализацией.
Иными словами, акцент сделан на быстром создании прототипа изделия —
опытного образца, на основе которого происходит дальнейшее уточняющее
моделирование и в конце концов разработка конечного продукта. Консуль-
танты по вопросам управления и программисты также используют термин
"быстрое прототипирование" для описания процесса развития бизнеса и
программных продуктов кусочно-слоеными прототипами, что позволяет
клиентам и другим заинтересованным сторонам проверить идеи и обес-
печить обратную связь в процессе разработки. В контексте разработки
продукта термин "быстрое прототипирование" широко используется для
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным моделирования. Наша книга посвящена именно таким
технологиям, изначально разработанным для прототипирования, но в на-
стоящее время используемым для многих других целей.
Пользователи технологии БП пришли к выводу, что этот термин яв-
ляется недостаточным и, в частности, не эффективно представляет бо-
лее поздние приложения технологии. Улучшение качества продукции и
оборудования для БП означало гораздо более тесную связь с конечным
продуктом. В настоящее время многие детали изготавливаются сразу на
подобном оборудовании, поэтому мы не имеем права называть их про-
тотипами. Термин "быстрое прототипирование" также указывает на ос-
новной принцип этих технологий, который заключается в изготовлении
всех изделий аддитивным методом. Недавно созданный в рамках ASTM
International (American Society for Testing and Materials — Американско-
го общества специалистов по тестированию материалов) Технический ко-
митет принял решение о введении новой терминологии. Несмотря на то
что данное решение все еще находится в стадии обсуждения, в принятых
ASTM в последнее время стандартах используется термин "аддитивное
производство" (АП) [1].
Основной принцип технологии АП заключается в том, что модель пер-
воначально генерируется с использованием системы трехмерного автома-
тизированного проектирования (3D САПР, 3D CAD — Computer-Aided
Design), а изделие изготавливается непосредственно без необходимости
планирования процесса. Хотя в реальности все выглядит далеко не так
просто, АП, конечно, значительно упрощает процесс производства слож-
ных трехмерных объектов прямо по данным САПР. Другие (традици-
онные) производственные процессы требуют тщательного и детального
анализа геометрической формы и размеров детали, чтобы определить по-
рядок обработки поверхностей, выбор инструментов и процессов техноло-
гической цепочки, потребность в дополнительной оснастке для финишной
обработки изделия. АП, в отличие от них, нужны только некоторые ос-
новные данные о размерах, некоторое знание о принципах работы машин
АП и свойствах материалов, выбранных для данного изделия.
Ключом к пониманию АП является принцип изготовления изделия —
послойное добавление материала, причем каждый слой представляет со-
бой тонкий поперечный срез изделия, информация обо всех параметрах
которого содержится в исходных данных САПР. Очевидно, что на физи-
ческом уровне каждый слой должен иметь конечную толщину, поэтому
получающееся в итоге изделие будет приближением к исходной вирту-
альной модели, как показано на рис. 1.1. Чем тоньше каждый слой, тем
ближе конечная деталь к оригиналу. Все коммерциализованные на сего-
дняшний день машины АП используют послойный подход и отличаются
друг от друга только используемыми материалами, методами создания
слоев и соединения слоев друг с другом. Этими различиями определяются
точность соответствия конечного изделия заданной модели и его физико-
механические свойства. Они также определяют время изготовления де-
тали, необходимость финишной обработки, размер машины АП, общую
стоимость машины и всего процесса.
В этой главе мы хотим ввести основные понятия АП и описать об-
щий процесс AП от проектирования до изготовления конкретных изделий.
Далее мы обсудим влияние АП на проектирование и производство и попы-
таемся разобраться, как в этом контексте может измениться весь процесс
разработки продукта. Поскольку АП становится все более важным элемен-
том проектирования и разработки изделий, глава завершается обсужде-
нием некоторых соответствующих инструментов, необходимых в процессе
разработки продукта.
1.2. Где используются изделия АП?
В этой книге вы найдете описание широкого спектра приложений AП. Вы
также узнаете, что их количество растет по мере развития и совершенство-
вания технологических процессов. Первоначально АП применялось только
для создания презентационных моделей изделий во время их разработки.
Широко известно, что модели гораздо нагляднее и полезнее для оценки
проекта, чем чертежи или визуализация, поскольку помогают в полной ме-
ре понять намерения проектировщика, представляющего концепцию про-
екта. Рисованные эскизы, конечно, создавать быстрее и проще, однако для
изготовления модели требуется полностью проверить все проектные рас-
четы.
Помимо изготовления исходных моделей, АП в течение определенно-
го времени развивалось в направлении улучшения качества материалов,
повышении точности изготовления и общего качества производства. Мо-
дели нашли применение в качестве источника уточняющей информации
по принципу 3F (Form, Fit, and Function) —формы, пригодности к сбор-
ке и функционирования изделия. Начальные модели были использованы,
чтобы в полной мере оценить форму и общую цель конструкции (форма).
Повышение точности изготовления в процессе означало, что детали изго-
тавливались с допусками, необходимыми для целей сборки (пригодность к
монтажу). Улучшение физико-механических характеристик означало, что
деталь правильно обработана, поэтому ее можно оценивать в соответствии
с ее конечным функциональным назначением (функция).
Сказать, что АП оказалось полезно только для создания моделей, было
бы неправильно и стало бы недооценкой технологии. В сочетании с дру-
гими методами в технологических цепочках АП могут быть использованы
для значительного сокращения времени разработки продукта и затрат.
Совсем недавно некоторые из этих технологий были усовершенствованы
до такого уровня, что на выходе сразу можно получить конечный про-
дукт. Это объясняет, почему терминология существенно изменилась от
"быстрого прототипирования" до "аддитивного производства". Кроме то-
го, использование мощных лазеров привело к тому, что изделия можно
сразу изготавливать из разных металлов, что еще больше расширяет об-
ласть применения АП.
1.3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аддитивное производство включает в себя ряд этапов для перехода от
виртуального описания в САПР к изготовлению изделия на физическом
уровне. Степень применения АП изменяется в зависимости от конкретного
изделия. Для изготовления небольших, относительно простых изделий АП
используется лишь для создания визуализационных моделей, в то время
как более крупные, более сложные объекты, для проектирования которых
необходима объемная проектная документация, включают АП на много-
численных этапах и итерациях в течение всего процесса изготовления.
Кроме того, на ранних этапах процесса проектирования изделия могут
потребоваться просто заготовки, в этом случае прибегают к АП из-за ско-
рости, с которой они могут быть изготовлены. На более поздних стадиях
процесса изделиям требуется финишная обработка и доводка (в том числе
шлифование, подготовка поверхности и покраска) перед использованием,
здесь АП полезны для создания сложных форм без необходимости подбора
специальных инструментов. Далее мы тщательно рассмотрим различные
этапы процесса АП, но в итоге большинство таких процессов в разной сте-
пени включают следующие восемь этапов (рис. 1.2).
1.3.1. Этап 1. Проектирование в среде САПР
Изготовление любых деталей с использованием АП должно начинаться
с создания виртуальной модели с помощью специального программного
обеспечения, которое полностью описывает геометрическую форму и раз-
меры внешней поверхности изделия. Это может включать использование
практически любого профессионального программного обеспечения САПР
для твердотельного моделирования, но в любом случае на выходе нужно
получить трехмерное представление твердого тела или его поверхности.
Оборудование для обратного инжиниринга (например, лазерного и оп-
тического сканирования) также может потребоваться для создания этого
представления.
1.3.2. Этап 2. Преобразование в STL-файлы
Почти каждая машина АП принимает формат STL (Stereo Lithography)
файлов, которые стали стандартом де-факто, и в настоящее время почти
каждая САПР может выводить такие файлы в этом формате. В таких фай-
лах описаны внешние замкнутые поверхности изначальной САПР-модели,
они формируют основу для расчета слоев.
1.3.3. Этап 3. Перенос STL-файла в машину АП и манипулирование этими файлами
STL-файл с описанием изделия передается в машину АП. Здесь произво-
дятся некоторые общие манипуляции с файлом исправление размеров,
позиционирование и ориентация для изготовления изделия.
1.3.4. Этап 4. Настройка машины
Перед началом изготовления машину АП нужно правильно настроить.
В установках нуждаются параметры изготовления, например пределы ис-
пользования материала, источник энергии, толщина слоя, тайминги и т.д.
1.3.5. Этап 5. Изготовление
Изготовление изделия представляет собой большей частью автоматизиро-
ванный процесс, поэтому машина способна выполнять его практически без
контроля оператора. Необходим только поверхностный мониторинг рабо-
ты машины в отдельных случаях, чтобы не произошло ошибки, например
закончился материал для печати, отказал источник питания или програм-
мное обеспечение и т.д.
1.3.6. Этап 6. Извлечение изделия
После завершения изготовления нужно извлечь изделие. Для этого иног-
да требуется провести некие манипуляции с машиной, в которую встроены
блокировки безопасности, чтобы обеспечить, например, снижение темпе-
ратуры или отсутствие активно движущихся частей.
1.3.7. Этап 7. Последующая обработка
После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополни-
тельная очистка перед использованием. На этом этапе изделия еще могут
не набрать нужную прочность или в них остаются вспомогательные по-
верхности, которые должны быть удалены. Таким образом, на эти работы
часто требуются время и тщательная ручная обработка опытным опера-
тором/
1.3.8. Этап 8. Применение
В некоторых случаях детали уже могут быть готовы к использованию.
В других случаях требуется дополнительная обработка перед эксплуата-
цией. Например, могут потребоваться грунтовка и покраска для создания
нужной текстуры поверхности и финишной обработки. Обработка может
быть трудоемкой и длительной, если требования к конечному продукту
очень высоки. Также по техническим условиям на изделие отдельные дета-
ли должны быть собраны вместе с другими механическими или электрон-
ными компонентами, чтобы сформировать конечную модель или продукт.
Теперь, после рассмотрения многочисленных этапов процесса AП ста-
новится понятно, что многие машины AП требуют тщательного техни-
ческого обслуживания. Во многих машинах встроены хрупкие лазерные
или печатные устройства, которые нужно внимательно контролировать.
Их нельзя эксплуатировать в грязной или шумной обстановке. Несмотря
на то что машины, как правило, предназначены для работы без участия и
контроля оператора, техническое обслуживание должно включать в себя
регулярные проверки, кроме того, перечень работ по техническому обслу-
живанию может различаться в зависимости от применяемой технологии
АП. Важно также отметить, что процессы AП выходят за пределы име-
ющихся стандартов на большинство материалов и технологий, что объяс-
няет недавний интерес Технического комитета ASTM F42 по аддитивным
технологиям, который работает для решения этой проблемы [1]. Тем не
менее многие производители машин АП рекомендуют и предоставляют
тестовые шаблоны, которые можно использовать для проверки работы ма-
шин в допустимых пределах.
Кроме технического обслуживания оборудования, бережного отноше-
ния требуют и применяемые материалы. Сырье, используемое в некото-
рых процессах AП имеет ограниченный срок годности, также для неко-
торых материалов требуется хранение в определенных условиях, которые
предотвращают нежелательные химические реакции. Нужно избегать воз-
действия влаги, света, загрязнений материалов. В большинстве процессов
используются материалы, которые могут быть повторно использованы для
изготовления других деталей. Тем не менее для повторного использования
есть ограничения, поскольку в результате может произойти ухудшение
свойств, поэтому нужно соблюдать процедуры для поддержания посто-
янного качества материала в ходе многократного
1.4. Почему используется термин "аддитивное производство"?
В настоящее время рассматриваемая нами технология заключается преж-
де всего в использовании аддитивных процессов, т.е. укладке тем или
иным способом (добавлении) материала слой за слоем. Термин «аддитив-
ное производство» (от англ. additive добавлять), или АП, очень хорошо
представляет данный процесс, однако есть достаточно много синонимов.
В этом разделе рассматриваются другие термины, которые были использо-
ваны для обозначения этой технологии, чтобы лучше объяснить ее общую
цель и преимущества для разработки и изготовления продукции.
менее ничего не мешает предположить, что,
несмотря на этот важный принцип, будущие системы будут добавлять
материал при изготовлении изделий по другим принципам и точно так
же будут включены в эту классификацию согласно широкому спектру
критериев. Следует добавить сюда и слегка измененный термин «адди-
тивное изготовление путем формообразования (аддитивное формование)»
(Additive Fabrication), который ввел Терри Волерс, известный консультант
по АП, который пишет широко известные ежегодные отчеты о текущем
состоянии этой отрасли [3]. Тем не менее многие специалисты предпочи-
тают термин «производство» (manufacturing), поскольку «формование»
(fabrication) имеет некоторый негативный смысл, отсылающий к поня-
тию «прототип», т.е. заготовка, а не к конечному продукту. Кроме того,
в некоторых регионах мира термин «формование» ассоциируется с гибкой
листового металла и связанными с ней процессами, и, таким образом, спе-
циалисты из этих регионов часто возражают против использования слова
«формование» для обозначения этой технологии. Следовательно, термин
«аддитивное производство» начинает широко использоваться, например
был применен Волерсом в его последних публикациях и презентациях.
1.4.4. Стереолитография или трехмерная печать
Эти два термина изначально введены при описании определенных машин.
Термин «стереолитография» (SL — Stereolithography) был использован
американской компанией 3D Systems [4, 5], а трехмерная печать (3DP)
широко используется исследователями в Массачусетском технологическом
институте [6], которые изобрели технологию на основе струйной печати.
Оба термина указывают на участие в производстве двумерных процес-
сов (литографии и печати) и расширение их в третье измерение. Так как
большинство людей хорошо знакомы с технологией печати, идея ее ис-
пользования для изготовления физического трехмерного объекта имеет
смысл. Многие считают, что в конечном итоге термин «трехмерная пе-
чать» станет наиболее часто используемым для обозначения технологии
AП. Недавний рост интереса СМИ к технологии это доказал, поэтому для
широкой публики более узнаваем термин «трехмерная печать», чем любой
другой, который употребляется в этой книге.
1.4.5. Быстрое прототипирование
Термин «быстрое прототипирование» был названием этого процесса, по-
скольку технология изначально создавалась для улучшения или замены
той или иной модели изделия (прототипа). Производители и разработчи-
ки продукта считают прототипирование сложным, утомительным и до-
рогостоящим процессом, который часто препятствует развитию и творче-
ским этапам в процессе внедрения нового продукта. БП предназначено для
значительного ускорения этого процесса, поэтому термин использовался
достаточно широко. Тем не менее пользователи и разработчики этой тех-
нологии теперь понимают, что АП, имеет гораздо больше возможностей,
нежели простое изготовление прототипов.
Значительное улучшение точности изготовления и свойств материа-
лов позволили включить эту технологию в тестирование, изготовление
оснастки, производство и другие сферы, к которым нельзя применить
термин «прототипирование». Тем не менее очевидно, что большинство
других терминов, описанных выше, также далеко не безупречны. Одна
из возможностей заключается в том, что многие продолжат использовать
термин БП для различных видов производств, не ограниченных только
прототипированием, подобно тому, как IBM занимается не только произ-
водством офисного оборудования, а компания 3М работает за пределами
горнодобывающей отрасли. Интересно посмотреть, как терминология бу-
дет развиваться в будущем.
Во всех случаях, где это возможно, мы использовали термин «аддитив-
ное производство» или его аббревиатуру AП в качестве общего термина
для набора технологий, описываемых в этой книге. Следует отметить, что
в литературе большинство введенных выше терминов являются взаимоза-
меняемыми; но различная терминология может указывать на конкретный
подход, используемый в конкретном случае. Поэтому и в этой книге, и в
интернет-поисковиках, и в другой литературе читатель должен учитывать
контекст, чтобы лучше понять значение каждого термина.
1.5. Преимущества аддитивного производства
Многие специалисты считают технологию АП революцией в разработке
и производстве изделий. Некоторые даже пошли еще дальше, утверждая,
что производство, как мы его знаем сегодня, перестанет существовать, если
мы будем развивать AП до его логического завершения, и в настоящий мо-
мент мы переживаем новую промышленную революцию. Сейчас АП часто
называют одной из самых передовых технологий, которые изменяют спо-
соб проектирования и производства изделий. Следовательно, мы имеем
полное право задать вопрос: «Так ли это?» Что такое есть в АП, что вдох-
новляет людей на подобные заявления?
Во-первых, давайте рассмотрим «быстрый» характер этой технологии.
Преимущество в скорости относится не только ко времени, необходимому
на создание деталей. Форсирование всего процесса создания продукта воз-
можно благодаря повсеместному использованию компьютеров. Поскольку
в технологии применяется 3D САПР в качестве отправной точки и пере-
дача проектной документации AП происходит беспрепятственно, не стоит
беспокоиться по поводу преобразования данных или интерпретации цели
проектирования. Так же как 3D САПР работает по принципу «получаешь
то, что видишь» (WYSIWYG — You See Is What You Get), так же обстоит
дело и с АП, поэтому про эту технологию мы с полным правом можем
сказать «строишь то, что видишь» (WYSIWYB What You See Is What
You Build).
Неразрывность и целостность всего процесса может также рассматри-
ваться с точки зрения сокращения технологических операций. Независи-
мо от сложности деталей, их изготовление внутри машины AП обычно
проводят в одну стадию. Большинство традиционных производственных
процессов потребовало бы нескольких этапов и итераций. Чем сложнее раз-
рабатываемый вами дизайн (конструкция) изделия, тем в большей степени
увеличивается количество этапов для его производства. Даже относитель-
но простое изменение конструкции может привести к значительному уве-
личению времени изготовления обычными методами. Поэтому АП можно
рассматривать как метод, при котором очень эффективно прогнозировать
временные затраты на изготовление изделия, независимо от того, какие
изменения могут быть введены на первых этапах разработки изделия.
Аналогичным образом при использовании АП можно существенно сни-
зить количество необходимых процессов и ресурсов. При обычном про-
изводстве даже опытному мастеру для изготовления прототипа в соот-
ветствии с набором чертежей САПР потребуется работать в несколько
этапов. Это объясняется тем, что ему придется пользоваться различными
методами обработки, начиная с ручной резьбы, отливки, штамповки и до
применения станков с ЧПУ. Ручная механическая обработка и подобные
операции утомительны, трудны и не лишены ошибок. Отливка гряз-
ный процесс, для него требуется изготовление форм. Работа на станках
с ЧПУ требует тщательного планирования и последовательного подхода,
также необходим монтаж оснастки еще до вытачивания детали. Конечно,
изначально предполагается, что мастер владеет всеми этими технология-
ми и у него под рукой находятся необходимые для изготовления детали
инструменты.
АП можно использовать для отказа или хотя бы снижения трудоем-
кости многих этапов этих многоступенчатых процессов. С добавлением
некоторых вспомогательных технологий, таких как силикон-каучуковое
литье, сверление, полировка, шлифование, вполне возможно изготавли-
вать широкий спектр различных деталей с различными характеристиками.
Производственные процессы, включающие технологии AП, намного чище,
более рациональны и универсальны, чем традиционные технологии маши-
ностроения.
1.6. Различие между аддитивным производством и обработкой на станках
Как уже упоминалось в обсуждении автоматизированного производства,
по структуре АП имеет много общего с работой на станках с ЧПУ. Техно-
логия ЧПУ также имеет в своей основе компьютерное управление, кото-
рое используется для производства продукции. Изготовление изделий на
станках с ЧПУ отличается в основном тем, что в процессе производства
происходит удаление материала, а не его добавление. Для изготовления
на станках с ЧПУ потребуется заготовка размером больше той детали,
которую нужно из нее выточить. В этом разделе мы сравним основные
характеристики работы на станках с ЧПУ и AП. Цель на самом деле за-
ключается не в убеждении читателя в том, что одна технология лучше
другой, а в том, чтобы показать, как реализовать их на разных этапах
изготовления продукции или для ее различных видов.
1.6.1. Материал
Технология АП была первоначально разработана для полимерных мате-
риалов, восков и бумажных слоистых материалов. Впоследствии началось
внедрение в АП композитов, металлов, керамики. Станки с ЧПУ могут
быть использованы для мягких материалов, таких как средней плотно-
сти древесноволокнистые плиты (оргалит), технологичные (поддающихся
машинной обработке) пены и воски и даже некоторые полимеры. Тем не
менее использование станков с ЧПУ для формирования более мягких ма-
териалов ориентировано на подготовку этих деталей для использования
в многостадийном процессе, например в отливке заготовок. Станки с ЧПУ
лучше всего применять для точного изготовления конечного продукта —
высококачественных деталей с заданными характеристиками из твердых,
но относительно хрупких материалов, таких как сталь и другие сплавы ме-
таллов. Некоторые изделия, изготовленные с применением AП, напротив,
имеют полости и отверстия или анизотропию свойств, которые зависят от
ориентации изделия, параметров производственного процесса или метода
ввода проектной документации в машину, в то время как изделия, изго-
товленные на станках с ЧПУ, обладают большей однородностью свойств
и имеют более предсказуемые параметры качества.
1.6.2. Скорость изготовления
Высокоскоростной станок с ЧПУ способен удалять материал гораздо быст-
рее, чем машины AП добавляют слой за слоем до аналогичного объема.
Тем не менее это только часть картины, поскольку технология АП может
быть использована только на одном этапе. Станки с ЧПУ требуют значи-
тельных трудозатрат на настройку и планирование процесса, особенно для
изготовления деталей сложной геометрической формы. Поэтому скорость
следует оценивать с точки зрения всего процесса, а не только физического
воздействия на материал детали. Станки с ЧПУ применяются в многосту-
пенчатом производственном процессе, в ходе которого нужно перемещать
или переставлять деталь внутри одной машины или использовать разные
станки. Для изготовления детали в машине AП требуется всего несколько
часов; часто несколько деталей изготавливаются партиями за один этап
АП. Финишная обработка может занять несколько дней, если требуется
высокое качество. Тот же процесс обработки на станке с ЧПУ, даже на
5-осевом высокоскоростном, может занять несколько недель, причем зара-
нее нельзя предсказать точный срок изготовления детали.
1.6.3. Сложность
Как упоминалось выше, чем выше сложность геометрической формы, тем
большее преимущество имеет АП по сравнению с ЧПУ. Если станок с ЧПУ
используется для создания сразу единой детали, то возникают случаи, ко-
гда некоторые геометрические характеристики просто невозможно изгото-
вить. Установка обрабатывающего инструмента на шпинделе накладывает
определенные ограничения на доступ к детали или столкновения с ней,
чтобы воспрепятствовать незапланированному движению инструмента по
обрабатываемой поверхности детали. Процессы AП не имеют подобных
ограничений, поэтому удаляемые и внутренние поверхности можно легко
нарастить и достроить без специального планирования процесса. Некото-
рые детали не могут быть изготовлены на станках с ЧПУ, если они не
разделены на компоненты и не требуют сборки на последующих этапах
изготовления. Рассмотрим, например, возможность обработки макета ко-
рабля внутри бутылки. Как вы будете изготавливать макет корабля, когда
он находит в бутылке? Скорее всего, вы отдельно изготовите оба элемен-
та, а затем найдете способ объединить их вместе в результате сборки или
соединения. Благодаря использованию АП вы можете построить корабль
в бутылке сразу. Поэтому инженер-машиностроитель должен проанализи-
ровать проект каждой детали до начала ее изготовления. Это необходимо
для того, чтобы гарантировать возможность изготовления детали и опре-
делить способы ее изготовления. Несмотря на то что некоторые детали
нельзя изготовить с применением АП, вероятность таких случаев очень
низка и имеется масса способов, как все же осуществить это без особых
трудностей.
1.6.4. Точность
Машины AП, как правило, работают с разрешением в несколько десят-
ков микрон. Общим правилом для машин AП является различное раз-
решение вдоль каждой из ортогональных осей. Вертикальная ось сборки
соответствует толщине слоя, поэтому по ней будет более низкое разреше-
ние по сравнению с двумя другими осями в плоскости сборки. Точность
в плоскости сборки определяется расположением механизма сборки, кото-
рый обычно включает коробки передач и двигатели разных видов. Этот
механизм также может определять минимальный размер. Например, в тех-
нологии SL используется лазер как часть механизма сборки, его обычно
позиционируют с помощью зеркальных гальванометров с приводами. Раз-
решение гальванометров позволяет определить общие размеры изготавли-
ваемых деталей, в то время как диаметр лазерного луча будет определять
минимальную толщину стенки. Точность станков с ЧПУ в основном опре-
деляется аналогичным разрешением позиционирования вдоль всех трех
ортогональных осей и диаметров вращающихся режущих инструментов.
Нужно учитывать факторы, которые зависят от геометрии инструмен-
та, например радиусов внутренних углов, но толщина стенки может быть
меньше диаметра инструмента, так как в данном случае мы рассматриваем
процесс удаления материала. В обоих случаях изготовление очень мелких
деталей также зависит от их геометрии и свойств материала.
1.6.5. Геометрическая форма
Машины AП, по существу, разбивают сложную задачу изготовления в трех-
мерии на серию укладки простых двумерных сечений номинальной тол-
щины. Таким образом, из производственного процесса трехмерной печа-
ти исключается этап соединения поверхностей, а непрерывность процесса
определяется близостью соседних поперечных сечений. Поскольку на стан-
ках с ЧПУ подобные переходы сделать не так просто, обработка поверх-
ностей, как правило, должна быть сгенерирована в трехмерном простран-
стве. Для деталей простой геометрической формы, например цилиндров,
конусов, прямоугольных параллелепипедов и т.д., это относительно про-
стой процесс, который определяется стыками (точками соединения поверх-
ностей) вдоль пути режущего инструмента. Эти точки находятся довольно
далеко друг от друга, поэтому положение инструмента фиксируется. В слу-
чаях произвольных поверхностей эти точки могут располагаться очень
близко друг к другу, следовательно, требуются многочисленные измене-
ния в ориентации инструмента или детали. Детали с такой геометрией
чрезвычайно трудно производить на станках с ЧПУ, даже с интерполиро-
ванным управлением по пяти и более осям. Подсечки, внутренние полости,
острые внутренние углы и другие элементы поверхности не всегда удается
обработать, если их параметры находятся за определенными пределами.
Рассмотрим, например, элементы поверхности детали, представленной на
рис. 1.3. Многие из них очень трудно обрабатывать без манипуляций с де-
талью на различных этапах.
1.6.6. Программирование
При использовании станков с ЧПУ необходимо определить последователь-
ности операций в программе изготовления детали, а также произвести
выбор инструмента, настройку скорости обработки, положение и угол под-
хода и т.д. Многие машины AП имеют выбор опций, но трудоемкость и
затраты времени на выбор диапазона, сложности обработки и последствия
в случае неправильного выбора оказываются минимальными по сравне-
нию со станками с ЧПУ. Худшее, что может произойти при использовании
AП машины, — это некачественное изготовление детали, если програм-
мирование не проведено на достаточно высоком уровне. Неправильное
программирование на станке с ЧПУ заканчивается серьезным поврежде-
нием машины и даже может представлять опасность для токаря.
1.7. Примеры изделий аддитивного производства
На рис. 1.4 показан монтаж изделий, изготовленных с использованием
некоторых общих процессов АП. Изделие а было изготовлено на машине
для стереолитографии и представляет собой упрощенный фюзеляж для
беспилотного летательного аппарата с покрытием, усиленным конформной
решетчатой конструкцией (более подробно о производственном процессе
читайте в главе 4). Более полное описание этой детали включено в главу
о проектировании АП. Детали б и в были изготовлены с использовани-
ем струйного распыления материала (см. главу 7). На примере детали б
продемонстрирована возможность одновременного нанесения нескольких
материалов, в этом случае один набор головок используется для нанесения
прозрачного материала, а другой набор для нанесения черного материа-
ла линий и названия Objet. Изделие в это часть цепочной конструкции.
В обоих изделиях б и в есть рабочие вращательные соединения, которые
были изготовлены с использованием допусков на зазоры для соединений
и убираемой подпорки. Изделие г — металлическое, оно изготовлено на
машине по спеканию металлического порошка (metal powder bed fusion
machine) электронным пучком в качестве источника энергии (глава 5).
Это изделие является моделью имплантата для лица. Изделие д — изго-
товлено на машине для соединения листовых материалов, которая имеет
струйную печать материалов нескольких цветов (глава 9). Изделия е и ж
изготовлены с методом экструзии (выдавливания) материала (глава 6).
Деталь е является храповым механизмом, который был изготовлен в еди-
ной сборке на промышленной машине. Опять же работа этого механизма
достигается путем правильного проектирования соединений и применения
убираемой подпорки. Изделие ж было изготовлено на дешевой личной
машине (которая установлена дома у одного из авторов). Изделия з и и
изготовлены методом спекания полимерного порошка. Изделие з — это
хорошо известная модель зубчатой передачи, так называемая brain gear
(ведущая шестерня). В ней вращение одного колеса приводит в движение
все остальные колеса. Поскольку изделиям, изготовленным из PBF по-
лимера, не нужны подпорки, работающие вращательные и передаточные
соединения могут быть созданы путем управления допусками и удаления
лишнего порошка в местах соприкосновения. Деталь и другая конформ-
ная решетчатая структура, на ее примере также показаны возможности
АП по изготовлению сложных форм.
1.8. Другие родственные технологии
Наиболее распространенный способ ввода проектной информации для тех-
нологии AП — загрузка файла, вначале разработанного в традиционной
системе 3D САПР, а затем преобразованного в формат STL. Есть, однако,
и другие способы получения STL-файлов и другие технологии, которые
могут быть использованы в сочетании с AП. В этом разделе будут описа-
ны некоторые из них.
1.8.1. Технология реверс-инжиниринга
Все больше моделей строятся на основе данных, полученных с помощью
реверс-инжиниринга (РИ), средств 3D визуализации и соответствующе-
го программного обеспечения. В этом контексте РИ представляет собой
процесс сбора геометрических данных другого объекта. Эти данные, как
правило, изначально доступны в форме так называемого «облака точек
сканирования», что означает множество соединенных между собой точек
в пространстве, представляющих поверхности объекта. Эти точки нужно
соединить вместе с помощью программного обеспечения для РИ, например
Geomagic [7], которое также может быть использовано, чтобы объединить
облака точек из разных сканов и выполнения других функций, таких как
заполнение отверстий и сглаживание поверхностей. Во многих случаях эти
данные могут быть неполными. Образцы, например, приходится помещать
в удерживающую оснастку, поэтому прилегающие к ней поверхности не
будут отсканированы должным образом. Кроме того, одни поверхности
могут скрывать другие, так происходит в глубоких вырезах и пазах и во
внутренних полостях и отверстиях; поэтому трудно получить внешний вид
реального объекта. Недавние достижения в высоких технологиях позволи-
ли сделать гигантский рывок в технологии сканирования. Адаптированные
мобильные телефоны всего за несколько сотен долларов со встроенным фо-
тоаппаратом в настоящее время производят настолько высококачественное
3D сканирование, для которого несколько лет назад потребовался бы до-
рогой лазерный сканер или система стереоскопических камер стоимостью
100 000 долларов или больше.
Инженерные объекты, как правило, сканируются лазерными сканера-
ми или с помощью контактных датчиков. Для объектов, имеющих слож-
ную геометрию внутренних поверхностей, или анатомических моделей ис-
пользуется компьютерная томография (КТ), которая первоначально была
разработана для медицинской визуализации, но также применяется для
сканирования промышленно произведенных объектов. Эта техника рабо-
тает аналогично АП: путем послойного сканирования собирается инфор-
мация об объекте, затем с помощью программного обеспечения эти слои
собираются вместе и определяются границы поверхности. Границы сосед-
них слоев затем соединяют вместе, чтобы сформировать поверхность. Пре-
имущество технологии КТ заключается в том, что можно получить изоб-
ражение внутренних поверхностей. Высокоэнергетичное рентгеновское из-
лучение также используются в промышленной технологии, чтобы создать
изображения в высоком разрешении в пределах 1 мкм. Другой подход к
оцифровке объектов — технология Capture Geometry Inside [8], которая во
многом подобна реверсивному инжинирингу АП, при котором удаляемые
слой за слоем поперечные сечения детали формируют двумерные изобра-
жения. Очевидно, что этот разрушающий подход к сбору геометрических
параметров нельзя использовать для всех изделий.
АП можно применять для воспроизведения отсканированных пред-
метов, что практически идентично получению 3D факса. Однако более
вероятно, что данные будут изменены или объединены с другими данны-
ми, чтобы сформировать сложные артефакты произвольной формы для
воплощения принципа технологии «за сложность платить не нужно». При-
мером может служить случай, когда отдельные данные (томограммы) па-
циента комбинируются с инженерным дизайном, чтобы сформировать пер-
сонализированный медицинский имплантат. Нечто подобное будет обсуж-
даться более подробно далее.
1.8.2. Компьютерное моделирование
3D CАПР является чрезвычайно ценным ресурсом для проектирования
и разработки продукции. Одним из основных преимуществ проектирова-
ния на основе программного обеспечения является легкость и дешевизна
внесения изменений. Если на протяжении большей части разработки но-
вого изделия мы сможем сохранить проектирование в программируемом
формате, тогда есть гарантия, что любые изменения в конструкции будут
воплощаться в виртуальной модели, а не на физическом уровне в самом
изделии. Чем больше мы знаем о том, как изготавливать изделие еще до
начала производства, тем более качественным будет конечный продукт.
Это также наиболее экономически эффективный способ разработки са-
мого продукта. Исправление обнаруженных нарушений проекта только
после изготовления детали стоит дорого. 3D CАПР может использовать
AП для визуализации и выполнения основных тестов чернового проекти-
рования перед запуском изделия в полномасштабное производство. Тем не
менее чем сложнее проекты и чем больше они зависят от производства, тем
менее вероятно, что мы получим достоверное представление даже с при-
менением всех этих методов. Программное обеспечение 3D CАПР также
широко связано с другими программными пакетами, поскольку в нем час-
то используются такие подходы, как метод конечных элементов (МКЭ)
для расчета физико-механических характеристик конструкции. Все эти
методы обобщенно называются компьютерным моделированием (CAE
Computer-Aided Engineering). Усилия, динамические взаимодействия, на-
пряжения, течения и другие параметры можно рассчитать, чтобы оце-
нить, как будет вести себя изделие при определенных условиях. Такая
программа не может с легкостью прогнозировать точное поведение дета-
ли, поэтому для анализа критических элементов потребуется комбинация
компьютерного моделирования с основанным на АП экспериментальным
анализом. Кроме того, с появлением прямого цифрового производства
(Direct Digital Manufacture), в котором АП используется для изготовления
сразу конечного продукта, растет потребность в инструментах компьютер-
ного моделирования для оценки работоспособности будущих деталей до их
запуска в АП, чтобы мы могли построить эти детали в первый раз как про-
ект для аддитивного производства (Design for Additive Manufacturing (D
for AM)).
1.8.3. Тактильная САПР
Системы 3D САПР, как правило, построены на принципе, согласно кото-
рому проектирование модели начинается с базовых геометрических форм,
которые затем различными способами объединяются в более сложные из-
делия. Такой подход работает очень хорошо для сложных изделий, кото-
рые мы тем не менее хорошо знаем. Однако не может ли он быть так же
эффективен для проектирования более необычных конструкций? Многие
потребительские продукты разрабатываются на основе идей художников
и дизайнеров, а не инженеров. Отметим также, что АП предоставляет
возможность большей свободы выражения мнений. В настоящее время
АП действительно становится популярным инструментом для таких ху-
дожников и скульпторов, как, например, Вирсавия Гроссман [9], кото-
рые используют свободу геометрических форм для создания визуально
захватывающих скульптур. Но сегодня мы сталкиваемся с одной пробле-
мой: некоторые компьютерные средства проектирования сдерживают или
ограничивают творческие процессы, поэтому идет работа по расширению
возможности САПР с целью предоставить больше свободы разработчи-
ку. Тактильно-сенсорное САПР моделирование, как в представленной на
рис. 1.5 экспериментальной системе [10], работает аналогично коммерче-
ски доступной системе моделирования Freeform [11].
Такая система обеспечивает более интуитивно понятную среду проек-
тирования, чем другие стандартные САПР. Эти системы часто использу-
ют роботизированное устройство механорецепторной (сенсорной) обратной
связи под названием Phantom, чтобы обеспечить обратную связь, выра-
женную в терминах усилий, для виртуальной среды моделирования. Объ-
ект можно увидеть на экране, а его восприятие (механорецепцию) транс-
формировать при помощи робота с подключенной программой Phantom
в трехмерном пространстве. Среда моделирования включает в себя так на-
зываемую виртуальную глину(Virtual Clay), которая деформируется под
действием прилагаемого усилия тактильного курсора. Это обеспечивает
механизм для непосредственного взаимодействия с материалом моделиро-
вания подобно тому, как скульптор приложением усилий лепит из реаль-
ной глины нужную ему форму. Результаты использования этой системы
обычно получение более гармоничных и произвольных поверхностей, чем
проектирование сложных изделий с помощью дополнительных инструмен-
тов САПР. Поскольку требования и желания потребителей растут, мы
наблюдаем, как инструменты САПР становятся все более доступными и
популярными в профессиях, не связанных напрямую с проектировани-
ем,— у дизайнеров, скульпторов и даже обычных творческих людей.
1.9. Об этой книге
Уже выпущено достаточно много книг, полностью посвященных аддитив-
ному производству или содержащих разделы с его описанием. Пока, од-
нако, не было ни одной книги, предназначенной для преподавания этой
технологии в университетах на современном уровне. Недавно университе-
ты включили аддитивное производство в различные программы. Объемы
такого включения варьируются от разделов в отдельных модулях до пол-
ноценных курсов для аспирантов. Эта книга направлена на поддержку
этих программ по всестороннему охвату как можно большего количества
аспектов данной технологии. Авторы этой книги были вовлечены в со-
здание программ в своих университетах и решили написать ее, поскольку
прекрасно понимали, что на сегодняшний день нет учебника, который бы
полностью представлял необходимый материал с соответствующей широ-
той и глубиной охвата. Кроме того, мы считаем, что с ростом интереса к
трехмерной печати эта книга сможет также обеспечить всестороннее пони-
мание связанных с ней технологий. Несмотря на рост популярности, уже
стало ясно, что полное понимание всей широты возможностей, предлагае-
мых АП, пока отсутствует.
В начале этой книги обсуждаются общие аспекты АП, а затем по гла-
вам следует подробное описание каждой технологии. Последняя глава по-
священа общим процессам и приложениям. Предполагается, что читатель
уже знаком с технологией 3D твердотельного моделирования САПР и об-
ладает по крайней мере небольшим объемом знаний о проектировании,
разработке и изготовлении изделий. Мы надеемся, что большинство чита-
телей имеют базовые знания по проектированию и дизайну как в целом,
так и отдельных продуктов, а также знания в механике, материаловеде-
нии или технологии машиностроения. Поскольку технология АП также
включает в себя множество электронных компонентов и информационных
технологий, читатели, имеющие багаж знаний в компьютерных приложе-
ниях и мехатронике, также найдут пользу в этой книге.
1.10. Упражнения
1. Найти три определения для быстрого прототипирования, отлича-
ющиеся от определения аддитивного производства, данного в этой
книге.
2. Найти в Интернете различные примеры приложений AП, которые
иллюстрируют использование принципов «форма», «пригодность к
монтажу», «функционал».
3. Какие действия могут быть выполнены на облаке точек с использова-
нием программного обеспечения для реверс-инжиниринга? Чем эти
инструменты отличаются от обычного программного обеспечения 3D
CАПР?
4. Какой термин вам больше нравится для обозначения этой техноло-
гии (АП, быстрое прототипирование изделий произвольной формы,
просто быстрое прототипирование и т.д.) и почему?
5. Создайте список веб-ссылок на видео, показывающие работу различ-
ных технологий АП и технологические цепочки процесса.
6. Составьте список различных характеристик технологий АП для срав-
нения с производством на станках с ЧПУ. В каких случаях АП имеет
преимущество, а в каких лучше использовать станки с ЧПУ?
7. Как работает настольное механорецепторное устройство Phantom и
почему оно принесет больше пользы в создании моделей произволь-
ной формы, чем обычные 3D САПР?
Литература
1. ASTM Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies.
http://www.astm.org/COM MITTEE/F42.htm.
2. Burns M (1993) Automated fabrication: improving productivity in manufacturing.
Prentice Hall, Englewood Cliffs.
3. Wohlers TT (2009) Wohlers report 2009: rapid prototyping & tooling state of the
industry. Annual worldwide progress report. Wohlers Associates, Detroit.
4. Jacobs PF (1995) Stereolithography and other RP and M technologies: from rapid
prototyping to rapid tooling. SME, New York.
5. 3D Systems. http://www.3dsystems.com.
6. Sachs EM, Cima MJ, Williams P, Brancazio D, Cornie J (1992) Three dimensional
printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. J Eng Ind 114(4):
481–488.
7. Geomagic Reverse Engineering software. http://www.geomagic.com.
8. CGI. Capture geometry inside. http://www.cgiinspection.com.
9. Grossman B. http://www.bathsheba.com.
10. Gao Z, Gibson I (2007) A 6 DOF haptic interface and its applications in CAD. Int J
Comput Appl Technol 30(3):163–171.
11. Sensable. http://www.sensable.com
ГЛАВА 2
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация
Следует помнить, что АП развивалось не в отрыве от других техноло-
гий. Например, невозможно представить существование АП без иннова-
ций в таких технологиях, как 3D-графика и программное обеспечение
для компьютерного моделирования и проектирования (Computer-Aided
Design). В этой главе освещаются некоторые ключевые моменты, которые
отмечают развитие технологии аддитивного производства. Мы расска-
жем, как пути развития различных технологий сошлись к тому состо-
янию, из которого они могут быть интегрированы в машины AП. В этой
главе также обсуждаются основные вехи развития технологий АП и
их вклад в расширение спектра приложений для АП. Кроме того, мы
обсудим, как постепенно увеличивается функциональность аддитивного
производства и растет количество приложений уже за рамками первона-
чального предназначения этой технологии изготовления прототипов.
2.1. Введение
Своим происхождением технология аддитивного производства обязана мно-
жеству открытий и инноваций в разнообразных технологических областях.
Как и в случае многих производственных технологий, повышение вычис-
лительной мощности компьютеров и снижение затрат на запоминающие
устройства позволили проводить обработку больших объемов данных, ха-
рактерных для систем автоматизированного проектирования (САПР)
трехмерных моделей, в разумные сроки. В настоящее время мы уже при-
выкли к окружающим нас мощным компьютерам и другим сложным авто-
матизированным машинам, поэтому иногда даже трудно себе представить,
как первопроходцы АП боролись за разработку первых машин для этой
технологии.
В этой главе мы хотим остановиться на некоторых ключевых моментах,
знаменующих ход развития технологии аддитивного производства. Мы
расскажем о направлениях развития всех технологий, комбинация кото-
рых в соответствующий момент позволила им интегрироваться в машины
АП. Здесь мы также обсудим основные этапы становления АП технологий.
Кроме того, мы рассмотрим, как аддитивное производство стало набирать
новый функционал и охватывать все более широкий спектр приложений,
уже далеко выходящий за пределы первоначального предназначения
быстрого изготовления прототипов.
2.2. Компьютеры
Как и многие другие технологии, АП возникло в результате изобретения
компьютера. Тем не менее было мало предпосылок того, что первые ком-
пьютеры, созданные в 1940-х годах (Zuse Z3 [1], ENIAC [2] и EDSAC [3]),
будут способны изменить жизнь таким образом, чтобы создать все то,
что мы наблюдаем сейчас. Такие изобретения, как термоэлектронный кла-
пан, транзистор и микрочип, позволили компьютерам стать быстрее, мень-
ше, дешевле и одновременно повысили их функциональность. Это разви-
тие произошло так быстро, что его не мог предсказать даже Билл Гейтс
в Microsoft, когда в 1981 году заявил, что 640 кб памяти будет достаточно
для любого компьютера под управлением системы Windows. В 1989 го-
ду он признал свою ошибку во время выступления в Клубе информатики
Университета Ватерлоо [4]. Аналогичным образом в 1977 году попал паль-
цем в небо Кен Олсен из Digital Electronics Corp. (DEC), когда во время
своего выступления на заседании Всемирного футуристического общества
сказал, что нет и не будет никаких оснований предполагать, что компью-
теры появятся дома у простых людей [5]. Наверное, это яркое выступление
стало причиной, по которой Олсен вскоре потерял работу.
Одним из ключевых моментов в развитии компьютеров является их
способность выполнять задачи в режиме реального времени. В те первые
дни подготовка, решение и завершение сложных вычислительных задач за-
нимали много часов или даже дней. Это сильно затрудняло повседневное
использование компьютера, и, только когда было продемонстрировано, что
задачи могут быть завершены в режиме реального времени, компьютеры
стали использоваться как предметы обихода, а не только в качестве инстру-
ментов для академических исследований и в большом бизнесе. Это отно-
сится также к способности отображать результаты не только численно, но
и графически. За развитие компьютерной графики мы должны поблаго-
дарить, в частности, и игровую индустрию, которая внедрила множество
инноваций в разработку графических технологий в целях отображения
более подробных и «реалистичных» изображений для улучшения воспри-
ятия от игры.
АП в полной мере прямо и косвенно (в рамках основной технологии) ис-
пользует следующие важные функции компьютерной технологии.
– Вычислительная мощность: часть файлов с данными очень велики
и требуют для обработки соответствующего уровня вычислительной
мощности, это необходимо для манипуляций при настройке машины
и получении данных о слое (поперечном сечении) перед изготовле-
нием изделия. Первым компьютерам было бы очень затруднительно
обрабатывать данные больших файлов САПР.
– Возможности графики: для работы машине АП не требуется мощ-
ный графический движок, за исключением случаев просмотра фай-
лов при позиционировании будущего изделия в виртуальном про-
странстве машины. Тем не менее всем машинам нужен хороший гра-
фический интерфейс пользователя (GUI graphical user interface),
который облегчается настройку, эксплуатацию и обслуживание ма-
шины.
– Управление машиной: технология АП требует точного позициониро-
вания оборудования таким же образом, как это происходит в обра-
батывающем центре с числовым программным управлением (ЧПУ)
(Computer Numerical Controlled (CNC)) или даже в ксероксе или ла-
зерном принтере. Такому оборудованию необходимы контроллеры,
которые принимают информацию от датчиков для определения со-
стояния оборудования и материала, приводы для позиционирования
и других функций вывода. Также нужно выполнять вычислитель-
ные задачи для того, чтобы определить требования к управлению.
Выполнение этих задач управления даже в режиме реального вре-
мени обычно не требует большой по сегодняшним меркам вычис-
лительной мощности. Для работы выделенных функций, таких как
позиционирование моторов, линз и т.д., как правило, нужны отдель-
ные контроллерные модули. Компьютер будет использоваться для
наблюдения за связью с этими контроллерами и передачи данных,
относящиеся к изготовлению изделия.
– Сеть: почти каждый компьютер в наши дни становится средством
для связи с другими компьютерами по всему миру. Файлы для изго-
товления изделия, как правило, разрабатываются на другом компью-
тере, а не на том, что управляет машиной АП во время производства.
В системах прошлого требовалась загрузка данных с диска или лен-
ты. В настоящее время почти все файлы передаются по внутренней
сети, а часто через Интернет.
– Интеграция: по многообразию функций компьютер является цен-
тральным компонентом, который связывает вместе различные про-
цессы. Целью компьютера является коммуникация с другими частя-
ми системы, обработка данных и отправка этих данных из одной
части системы в другую. На рис. 2.1 показано, как упомянутые вы-
ше процессы интегрированы в машины AП.
Первым компьютерным средам проектирования требовалась большая
ЭВМ и мини-компьютеры. К этим компьютерам подключали рабочие стан-
ции, которые обычно строили графики и выполняли функции ввода/выво-
да. Затем компьютеры начали производить сложные вычисления для ма-
нипулирования моделями. Это было дорогое решение, поскольку основные
компоненты — процессор и память — были очень дорогими элементами.
С уменьшением стоимости этих компонентов персональные компьютеры
(ПК) стали широко распространенным инструментом. Первые ПК не были
достаточно мощны, чтобы заменить компьютеры на базе рабочих станций,
выполняющих сложные функции, но их ускоренное развитие позволило
за короткое время разработать дешевые и мощные устройства, которыми
можно было заменить самые дорогие компоненты с точки зрения вычис-
лительной мощности.
Без компьютеров невозможно было бы получить отображения трехмер-
ных изображений. Без 3D-графики не было бы САПР. Без этой функции
цифрового представления трехмерных объектов возможности машин АП
были бы ограничены изготовлением изделий только простейших форм. По-
этому с уверенностью можно сказать, что без современных компьютеров
мы бы не наблюдали развитие и становление аддитивного производства.
2.3. Технология компьютерного моделирования и проектирования
Сегодня каждый студент инженерного факультета должен научиться ис-
пользовать компьютеры для решения многих задач, включая разработку
новых конструкций. Среда САПР позволяет проектировать и большие
здания, и микропроцессоры в наномасштабе. Технологии САПР поддер-
живают данные из разных областей науки и технологии, относящиеся к
определенным типам изделий, в том числе их геометрические, электриче-
ские, тепловые, динамические, статические параметры и функции. САПР
содержит правила, связанные с этими параметрами и функциями, что
позволяет пользователю сосредоточиться на проектировании и функцио-
нальности будущего изделия, не заботясь о его работоспособности. САПР
дает пользователю возможность сосредоточиться на отдельных особенно-
стях большого или сложного изделия, сохраняя целостность данных и
одновременно их упорядочивая, чтобы правильно интегрировать новые
подсистемы с уже имеющимися.
Технология аддитивного производства в основном используется на ко-
нечном этапе машиностроительного производства и 3D твердотельного
моделирования с помощью САПР. Важно понимать, что это только одно
из направлений гораздо большего набора САПР и при этом не все САПР
способны создавать проектную документацию для послойного АП. В на-
стоящее время технология АП фокусируется на воспроизведении геомет-
рической формы, и поэтому лучшими для использования в АП являются
те САПР, которые производят такие формы наиболее точным и эффек-
тивным образом.
В начале САПР были крайне ограничены в возможностях для отобра-
жения информации на дисплеях. Первые системы отображения в редких
случаях были способны в лучшем случае выводить на экран буквенно-циф-
ровой текст. Некоторые первые компьютеры имели специальные устрой-
ства для вывода графической информации отдельно от текстовых команд,
используемых для управления. Тем не менее геометрические формы отоб-
ражались главным образом в векторной форме, выводя на экран каркас
изделия. В силу большой потребности в вычислительной мощности, необ-
ходимой для отображения графики для таких систем, большинство дис-
плеев были монохромными, что сильно затрудняло демонстрацию трех-
мерных геометрических форм на экране без показа эффектов освещения
и затенения.
Развитие САПР не было бы таким быстрым, если бы постоянно не вы-
двигались требования, связанные с ускоренным ростом потребности в сис-
темах автоматизированного производства (CAM — Computer-Aided Manu-
facture). CAM представляет собой канал для преобразования виртуаль-
ных моделей, разработанных в САПР, в физические изделия, которые
мы используем в нашей повседневной жизни. Весьма сомнительно, что
без требований, связанных именно с таким преобразованием виртуального
в реальное, САПР получила бы такое быстрое и широкое развитие. Это,
в свою очередь, подпитывалось и направлялось сопутствующими техно-
логиями производства основных элементов компьютеров — процессоров,
запоминающих устройств и дисплеев. CAM системы производят код для
машин с числовым программным управлением (ЧПУ), по существу, объ-
единяя координатные данные с командами по выбору и запуску режущих
инструментов. Ранние технологии ЧПУ выбирали CAMданные, относящи-
еся к месту обработки основных поверхностей изделия —отверстий, пазов,
полостей и т.д. Затем происходила механическая обработка этих поверх-
ностей на заготовках деталей. Когда станки с ЧПУ доказали свою эффек-
тивность и автоматизированную функциональность, сложность функций
увеличилась. В настоящее время возможности станков простираются на
изготовление весьма сложных, произвольных поверхностей. Тем не менее
существуют два основных ограничения для всех видов механической об-
работки на станках с ЧПУ:
– почти каждую деталь приходится обрабатывать в несколько этапов,
из-за чего часто требуется несколько проходов для удаления матери-
ала и переустановок детали;
– вся обработка зависит от направления подвода режущего инструмен-
та (благодаря чему этот вид производства определяют как 2,5D, а не
полностью 3D). Для такого вида обработки необходима определенная
ориентация обрабатываемой заготовки, которая не всегда возможна
на каждой стадии процесса изготовления.
Обработка на станках с ЧПУ, следовательно, требует программного
обеспечения только для моделирования поверхностей. Все ранние системы
CAM были основаны на моделировании поверхностей с помощью САПР.
Технология АП была первым автоматизированным производственным про-
цессом, для которого действительно требуется 3D твердотельное моде-
лирование с применением САПР. Моделирование полностью замкнутой
поверхности необходимо для получения направляющих координат для AП.
Для этого используются системы моделирования поверхности, но, посколь-
ку поверхности описываются граничными кривыми, достаточно часто воз-
никают затруднения с точным и плавным их соединением.
Даже если зазоры незаметны, полученные модели далеко не просто построить с помощью
АП. В крайнем случае любые неточности в 3D-модели будут перенесены
на изделие в процессе изготовления в AП. В первых приложениях АП час-
то возникали различные трудности с отображением из-за несовершенства
программного обеспечения для моделирования поверхностей.
Поскольку для систем АП просто необходимы точные модели с пол-
ностью замкнутыми поверхностями, предпочтение отдается САПР для
твердотельного моделирования, которые гарантируют представление объ-
ема у всех моделей и, следовательно, по определению все модели будут
иметь полностью замкнутые поверхности. В то время как моделирова-
ние поверхностей может быть использовано для изготовления изделий, не
всегда есть уверенность, что конечная модель будет точно представлена
в виде изделия из твердого материала. Такие модели, как правило, необ-
ходимы для инструментов инженерного компьютерного моделирования
(CAE — Computer-Aided Engineering), таких как метод конечных элемен-
тов (FEA — Finite Element Analysis), но также очень важны для других
процессов CAM.
С большинством САПР теперь можно легко работать на ПК. Это, как
правило, является результатом усовершенствований в области компьютер-
ных технологий, упомянутых ранее, но также стало итогом улучшений
в тех методах, которые используются для представления, манипуляции и
хранения данных в САПР. Большинство САПР в наши дни используют
неоднородный рациональный базисный сплайн (cплайн полиномиальны-
ми кривыми) (NURBS Non-Uniform Rational Basis-Splines) [6]. NURBS
предоставляет отличный способ точно определить кривые линии и поверх-
ности, которые соответствуют внешней оболочке модели САПР. Поскольку
определения модели могут включать в себя поверхности произвольной
формы, а также простые геометрические формы, все они должны учи-
тываться при построении модели, и поэтому представляющие ее сплайны
получаются достаточно сложными, чтобы не увеличивать размер итоговых
файлов и облегчить работу с ними. Сплайнами легко манипулировать для
изменения получившейся формы.
Технология САПР быстро улучшается по следующим направлениям:
– реализм: благодаря эффектам освещения и затенения, трассировки
лучей и другим фотореалистичным методам визуализации становит-
ся возможным генерировать изображения моделей в средах САПР,
которые трудно отличить от реальных фотографий. В некоторых от-
ношениях это снижает требования к визуализации моделей для АП;
– пользовательский интерфейс: для первых САПР требовался ввод
текстовых инструкций в диалоговом окне. Разработка графических
интерфейсов для GUI на основеWindows позволила создать графиче-
ский диалог и даже прямое манипулирование моделями в виртуаль-
ных трехмерных средах. Инструкции выдаются с помощью выпада-
ющих меню и контекстно-связанных систем команд. Чтобы удовле-
творить различные пользовательские предпочтения и стили, часто
одну и ту же инструкцию можно выполнить по-разному. Клавиату-
ры по-прежнему необходимы для ввода конкретных размерностей,
но удобство САПР значительно повысилось. Однако требуется еще
пройти определенный путь, чтобы сделать САПР доступными для
людей без инженерного образования и другой подготовки;
– инженерные оценки: поскольку САПР является неотъемлемой ча-
стью подготовки современного инженера, жизненно важно, чтобы
программное обеспечение включало в себя максимальное количество
информации для инженерных оценок. При твердотельном модели-
ровании с применением САПР можно рассчитать объем и массу мо-
делей, исследовать посадки и зазоры в соответствии с изменениями
допусков, а также экспортировать файлы с данными сетки для мето-
да конечных элементов. Использование этого метода возможно даже
в среде САПР;
– скорость: как упоминалось ранее, использование NURBS способству-
ет оптимизации работы с данными САПР. САПР постоянно оптими-
зируется различными способами, в основном за счет использования
новых разработок аппаратного обеспечения компьютеров;
– точность: если проектирование предполагает высокие допуски для
конструкции, на первый план выходит точность расчетов. Результа-
том сохранения высокой точности становятся высокие требования к
времени обработки и объему запоминающих устройств;
– сложность: все вышеуказанные характеристики могут привести к
созданию крайне сложных систем. Для поставщиков программного
обеспечения достаточно затруднительно включить эти функции, од-
новременно сделав их удобными в использовании и не требующими
для выполнения большой вычислительной мощности;
– простота в эксплуатации: последние разработки в технологии САПР
были сосредоточены на создании системы, доступной широкому диа-
пазону пользователей. Одна из целей создать все возможности
для неподготовленных пользователей проектировать сложные гео-
метрические детали для себя. Сейчас есть современные САПР для
3D твердотельного моделирования, которые работают исключитель-
но в веб-браузере, они обладают возможностями, аналогичными для
рабочих станций десятилетней давности.
Многие производители программного обеспечения САПР сосредоточе-
ны на производстве высокоинтегрированной среды проектирования, кото-
рая позволяет разработчикам параллельно работать в команде над единым
проектом на различных платформах и в разных подразделениях органи-
зации.
Промышленные дизайнеры должны работать с проектными мене-
джерами по продажам и маркетингу, проектировщиками, аналитиками,
инженерами-технологами и представителями многих других подразделе-
ний организации, чтобы внести свой вклад в разработку проекта конечного
продукта. Такие подразделения могут находиться даже в разных регио-
нах мира и в то же время быть частью одной той же организации или
выступать в качестве субподрядчиков. Следовательно, Интернет интегри-
рует эти программные системы, предусмотрев соответствующие меры для
быстрой и точной передачи и защиты интеллектуальной собственности.
Вполне возможно непосредственно манипулировать файлами САПР
для генерации данных по слоям, которые затем будут введены в машину
AП, и это обычно называют прямым слайсингом (direct slicing) (непосред-
ственным разделением на слои) [7]. Тем не менее это означает, что каждая
САПР должна иметь алгоритм прямого слайсинга, который будет совме-
стим с разными типами технологии AП. Иначе каждый поставщик систем
АП должен составить программу для каждой САПР. Оба этих подхода
являются непрактичными. Решение заключается в использовании обще-
го формата, который соответствует технологии. Этот общий формат был
разработан компанией 3D Systems, США, которая стала первой компани-
ей, коммерциализировавшей технологию AП. Именно она назвала формат
файла «STL» после разработки своей технологии стереолитографии (при-
мер которой показан на рис. 2.2).
Формат STL стал общим достоянием, чтобы все производители САПР
получили к нему доступ и интегрировали в свои системы. Эта страте-
гия была успешной, и STL-файлы теперь являются стандартным выводом
почти для всех систем твердотельного моделирования САПР, а также
приняты производителями систем АП [8]. STL использует треугольники
(метод триангуляции) для описания поверхностей, которые будут построе-
ны. Каждый треугольник описывается тремя точками и вектором нормали
к поверхности, направленным кнаружи. Запись STL-файла выглядит сле-
дующим образом:
facet normal –4.470293E–02 7.003503E-01–7.123981E-01
outer loop
vertex –2.812284E + 00 2.298693E + 01 0.000000E + 00
vertex –2.812284E + 00 2.296699E + 01–1.960784E-02
vertex –3.124760E + 00 2.296699E + 01 0.000000E + 00
endloop
endfacet
В будущем требования к технологии САПР будут изменяться парал-
лельно с развитием АП. По мере продвижения ко все более широкой функ-
циональности в изготовлении изделий с использованием АП мы должны
понимать, что САПР должна будет интегрировать в себя правила, связан-
ные с АП. На сегодняшний день акцент был сделан на внешней геометрии.
В будущем, возможно, нам потребуются знания правил функционирова-
ния систем АП, чтобы оптимизировать изготовление изделий на АП ма-
шинах.
2.4. Другие технологии, связанные с АП
Помимо компьютерной технологии, есть ряд других технологий, которые
были разработаны вместе с АП и заслуживают упоминания в этой кни-
ге, так как они внесли свой вклад в дальнейшее совершенствование сис-
тем АП.
2.4.1. Лазеры
Многие из первых систем АП были основаны на лазерной технологии.
Причины заключаются в высокой интенсивности и энергии коллимиро-
ванного пучка лазерного излучения, который контролируемым образом
может очень быстро перемещаться с использованием направленных зер-
кал. Поскольку при АП требуется отверждать или соединять каждый слой
материала избирательным образом, лазеры являются идеальными канди-
датами для использования при условии, что лазерная энергия совместима
с механизмами трансформации материала. Есть два вида лазерной об-
работки, используемой в AП: отверждение и спекание (плавление). При
использовании фотополимерных смол требуется лазерное излучение опре-
деленной частоты, которое вызывает отверждение или вулканизацию жид-
кой смолы. Обычно это лазер в ультрафиолетовом диапазоне, но также
могут быть использованы другие частоты. Для спекания требование к ла-
зерному излучению заключается в переносе достаточного количества теп-
ловой энергии для прохода через слой твердого материала и расплавления
порошка или сплавления листов материала. Для порошковых процессов,
например, ключевым моментом является контролируемое расплавление
материала без избыточного нагревания, чтобы после прекращения подачи
лазерного излучения расплавленный материал быстро затвердевал сно-
ва. В случае резки цель заключается в отделение одной части материала
от другой, что производится в виде лазерной резки. В первых машинах
АП использовались газоразрядные лазеры, чтобы обеспечить необходи-
мую энергию, но многие производители в последнее время перешли на
твердотельные лазеры, которые обладают большей эффективностью, сро-
ком службы и надежностью.
2.4.2. Технологии печати
В последние годы быстро развивается струйная или капельная технология
печати. Улучшения разрешения и снижение цен позволили высококаче-
ственной, часто многоцветной печати стать частью нашей повседневной
жизни. Другими причинами такого высокого качества печати также мож-
но считать совершенствование и надежность систем по подаче материала.
Первоначально цветные чернила имели низкую вязкость и подавались
в печатающие головки при температуре окружающей среды. Теперь можно
генерировать гораздо более высокие давления внутри камеры формиро-
вания капель, поэтому появилась возможность использовать материалы
с гораздо более высокой вязкостью и даже расплавленные материалы.
Это означает, что теперь для печати может использоваться метод оса-
ждения капель, который позволяет применять фотоотверждаемые и рас-
плавленные смолы как связующие для порошковых систем. Поскольку
печатающие головки являются относительно компактными устройствами,
в которых компактно сосредоточено устройства по управлению осажде-
нием капель (как показано на рис. 2.3), стало возможным производство
недорогих машин АП с высокими разрешением и производительностью.
Как и в случае с лазерами, применяемыми для массового производства,
в АП внедряют полномасштабные технологии современной печати.
2.4.3. Программируемые логические контроллеры
Данные о моделях, разработанных с помощью САПР, вводятся в машины
АП в виде больших файлов данных, генерируемых с помощью стандарт-
ных компьютерных технологий. После загрузки в машину AП эти файлы
выстраиваются в последовательности в соответствии с этапами процесса.
Для запуска каждого из них требуются входные сигналы от датчиков и
приводов. Для обеспечения этого процесса и управления машиной часто
лучше всего использовать системы микроконтроллеров, а не микропроцес-
сорные системы. Промышленные системы микроконтроллеров формиру-
ют основу программируемых логических контроллеров (ПЛК, Program-
mable Logic Controllers (PLCs)), которые обеспечивают надежный кон-
троль производственных процессов. Проектирование и изготовление та-
кого промышленного оборудования, как машины АП, значительно упро-
щается благодаря сборке из базовых элементов, которая производится на
основе платформ современных ПЛК для координации и контроля за раз-
личными действиями в ходе процесса изготовления.
2.4.4. Материалы
Ранее технологии АП развивались исходя из материалов, которые уже
были доступны и которые еще разрабатывались, чтобы соответствовать
новым процессам. Тем не менее процессы AП в значительной степени яв-
ляются уникальными и используемые для них исходные материалы далеко
не идеально подходили для этих новых приложений. Например, модели из
первых фотоотверждаемых смол были хрупкими и легко деформирова-
лись. Порошки, используемые в процессах послойного синтеза на основе
лазерного спекания, быстро деградировали1 в машине, поэтому изделия
из большей части используемых материалов получались непрочными. По
мере роста знаний и совершенствования навыков в технологии шла разра-
ботка и новых материалов, специально соответствующих процессам АП.
Материалы подбирались и проектировались в точном соответствии с рабо-
чими параметрами различных процессов, поэтому росло качество изготов-
ленных изделий. В результате изделия получались более точной формы,
имели большую прочность, долговечность, появилась возможность исполь-
зовать даже металлы для технологий АП. В свою очередь, установка на
создание новых материалов в точном соответствии с производственны-
ми процессами позволила создавать материалы для высокотемпературной
обработки, уменьшить размер изделий и их деталей и повысить произво-
дительность самих машин.
2.4.5. Обработка с использованием ЧПУ
Одна из причин появления технологии AП заключалась в том, что станки
с числовым программным управлением (ЧПУ) не в состоянии обрабаты-
вать детали с нужным качеством в требуемых временных рамках. Станки
с ЧПУ работали медленно, были громоздкими и тяжело управляемыми.
Технологию АП довольно легко настроить на быстрое производство, одна-
ко она страдала от низкой точности изготовления и ограниченных возмож-
ностей имеющихся материалов. По мере усовершенствования технологий
АП производители оборудования с ЧПУ поняли, что у них появился до-
стойный конкурент. Станки с ЧПУ значительно усовершенствовались к
моменту уверенного становления технологий АП. Вполне возможно, раз-
витие высокоскоростной обработки на станках с ЧПУ пошло бы по другому
пути, если бы, как утверждают некоторые специалисты, предполагаемая
угроза конкуренции с технологиями AП не заставила производителей обо-
рудования с ЧПУ переосмыслить их конструкцию. Развитие гибридных
технологий прототипирования, таких как Space Puzzle Molding (формова-
ние объемными пазлами), которые применяют как высокоскоростную ма-
шинную обработку, так и аддитивные методы для изготовления больших,
сложных и прочных литейных форм и элементов (рис. 2.4 [9]), демонстри-
руют взаимозаменяемость двух технологий для использования преиму-
ществ обеих. Для деталей с правильной геометрической формой, которая
позволяет обработку при одном позиционировании, станки с ЧПУ — часто
самый быстрый и эффективный метод с точки зрения затрат. Для деталей
со сложной геометрией или деталей, в ходе обработки которых большая
часть общего объема обрабатываемого материала уходит в стружку, АП
предоставляется более быстрым и экономичным способом, чем обработка
на станках с ЧПУ.
2.5. Использование слоев
Ключевым принципом изготовления изделий в АП является использова-
ние слоев как конечных двухмерных сечений трехмерной модели. Почти
в каждой технологии АП происходит наращивание изделия путем добавле-
ния новых слоев материала, поэтому все коммерческие системы работают
именно таким образом, в первую очередь из-за упрощения изготовления
трехмерных объектов. Использование для представления сложного трех-
мерного объекта двухмерных сечений было широко распространено во
многих приложениях, помимо АП. Наиболее очевидным примером являет-
ся составление географических карт с использованием изолиний, соединя-
ющих точки на постоянной высоте над уровнем моря, чтобы представлять
холмы и другие географические рельефы. Эти контурные линии можно
представить в виде пластин, которые при наложении друг на друга фор-
мируют представление о ландшафте географических регионов. Точные
разрывы между этими двухмерными сечениями представить достаточно
затруднительно, поэтому их аппроксимируют или интерполируют в виде
непрерывных кривых, соединяющих эти слои. Такие методы также могут
быть использованы для трехмерного представления других физических
свойств, например в виде изобар или изотерм на картах погоды.
Архитекторы также использовали такие методы, чтобы представлять
ландшафты реальных или проектируемых районов, например, как это ис-
пользовала архитектурная фирма в своем проекте, показанном на рис. 2.5
[10]. Концепция особенно логична для строителей зданий, которые также
применяют аддитивный подход, хотя и не используют слои. Посмотрите,
как были построены пирамиды в Египте и в Южной Америке. Вне зави-
симости от метода изготовления строительных блоков, ясно, что для их
возведения применялся многоуровневый подход, т.е. добавление материа-
ла по мере строительства.
Я был очень рад, когда услышал, что профессор Игорь Шишковский бу-
дет научным редактором русского издания нашей монографии. Обладая
многолетним и богатым опытом в данной области, этот известный ученый
и педагог сможет гарантировать как техническую точность, так и ясность
изложения. Поскольку русский язык является одним из самых распро-
страненных языков в мире, этот перевод позволит значительно расширить
аудиторию, которая сможет впервые получить доступ к данной информа-
ции. Я надеюсь, что исследователи, студенты и преподаватели найдут эту
книгу прекрасным дополнением к своей коллекции, и что она расширит
их познания в быстро развивающихся областях аддитивных технологий.
Брент Стакер
профессор, университет Луисвилля (Кентукки, США)
Предисловие
Благодарим вас за внимание, уделенное нашей книге о технологиях адди-
тивного производства (АП Additive Manufacturing). Мы надеемся, что
она принесет пользу и оправдает затраченные на чтение время и силы,
и тогда вы посчитаете нашу работу стоящим начинанием. Все началось во
время обсуждения этой темы на конференции в Португалии, когда было
решено собрать все литературные источники, посвященные целям и за-
дачам АП. Поскольку мы не только друзья, а также и коллеги, казалось
разумным объединить усилия, а не конкурировать ведь распределение
нагрузки и использование сильных сторон друг друга, несомненно, приве-
дет к большим результатам с меньшими затратами.
Мы написали эту книгу, потому что все работаем в области AП в тече-
ние многих лет. Хотя ни одного из нас нельзя назвать старым, все вместе
мы обладаем 60-летним опытом, и у каждого из нас есть устойчивая репу-
тация как педагогов и исследователей в этой области. Все мы следили, как
технологии, описанные в этой книге, формируются, развиваются и пре-
вращаются в серьезные коммерческие инструменты, с десятками тысяч
пользователей и ежегодным производством многих миллионов изделий
с помощью машин AП. Информация об АП в настоящее время включена
в учебные программы во многих университетах, политехнических кол-
леджах и институтах по всему миру. Все большее количество студентов
изучает эти технологии, однако мы с сожалением наблюдаем, что пока от-
сутствует единый учебник по этой дисциплине, так необходимый для таких
программ. Мы считаем, что первое издание этой книги и является по-
добным учебником, поэтому на основании второго, обновленного издания,
представленного здесь, мы надеемся, что смогли еще в большей степени
улучшить наше начинание.
Под термином "аддитивное производство" понимается спектр техноло-
гий, которые способны на основе данных о виртуальных моделях твердых
тел изготавливать физические модели в результате быстрых и легких про-
изводственных процессов. Данные моделирования разбиваются на серии
данных о двумерных сечениях конечной толщины. Затем эти данные за-
гружают в машины АП, которые можно объединить, чтобы они все вместе
последовательно слой за слоем добавляли материал, в результате форми-
руя изделия на физическом уровне. Следовательно, машины АП абсолют-
но точно воспроизводят геометрические параметры детали без необходи-
мости регулировки и настройки таких производственных процессов, как
изготовление оснастки, обработка подсечек, соблюдение углов уклона или
других функций. Поэтому с полным правом мы можем сказать, что изго-
товление изделий на машинах АП это процесс по принципу "строишь
то, что видишь" (WYSIWYB What You See Is What You Build), кото-
рый имеет особенно высокую ценность при изготовлении изделий сложной
геометрической формы. Этот основной принцип заложен в конструкцию
почти всех машин АП с вариациями в каждой технологии, обусловленны-
ми методами, используемыми для создания слоев и склеивания их вместе.
Другими факторами влияния можно назвать скорость изготовления, тол-
щину слоя, тип исходного материала, точность и стоимость изготовления.
При таком обилии переменных становится ясно, почему эта книга получи-
лась такой большой и подробной. Несмотря на это, у нас в запасе остается
еще много информации, которую следовало бы предоставить читателям.
Первые три главы этой книги дают обзор основных процессов АП.
Не увлекаясь полным описанием каждой технологии, мы предоставля-
ем оценку, из которой становится понятным, почему АП так важно для
многих отраслей промышленности. Мы кратко описываем быстрое разви-
тие этой технологии от скромного, но многообещающего начала, все еще
требующего больших усилий для развития, к тому результату, который
в настоящее время находится на стадии зрелости и демонстрирует ре-
альную пользу для проектных организаций по разработке продуктов. Мы
надеемся, что после прочтения этих глав вы узнаете основы работы АП.
В следующих девяти главах (глава 4–12) мы по очереди подробно пред-
ставим каждую группу технологий. Основы каждой технологии рассмат-
риваются с точки зрения основного процесса, идет ли речь о фотополи-
мерном отверждении, спекании, плавлении или других процессах, поэтому
читатель сможет правильно оценить, какие факторы необходимы для по-
нимания, развития и оптимизации каждой технологии. Большинство об-
суждаемых в этой книге технологий были переведены на коммерческие
рельсы, как минимум, одной компанией; оборудование, используемое в по-
добных производствах, описано наряду с обсуждением о том, как выбрать
его наилучшие модели. Последняя глава из этой группы сосредоточена на
недорогих процессах и машинах, ее текст частично пересекается с частью
материала из предыдущих глав, но мы считаем, что подобное отношение
оправдано с точки зрения растущего в геометрической прогрессии инте-
реса к этому недорогому оборудованию.
Из заключительных глав вы узнаете, как применять аддитивные тех-
нологии в различных условиях. Во-первых, мы рассмотрим методы отбора
для сортировки множества вариантов, касающихся типа машины, которую
вы хотите купить применительно к вашему приложению АП, и предоста-
вим рекомендации по правильному выбору технологий для ваших целей.
Так как все машины АП зависят от программного обеспечения 3D САПР,
мы переходим к обсуждению всего технологического процесса проектиро-
вания. После этого мы рассмотрим методы и технологии постобработки,
чтобы в случае неоптимального выбора машины и материала, которые
оказались не до конца подходящими для точного производства нужных
вам изделий, у вас была возможность для улучшения их характеристик и
внешнего вида. Глава, посвященная вопросам программного обеспечения
AП, завершает эту группу глав.
Технологии AП усовершенствовались до такой степени, что многие
производители рассматривают машины АП как средства производства ко-
нечного продукта. Такой подход назван прямым цифровым производством
(Direct Digital Manufacturing,), что открывает двери для многих интерес-
ных и инновационных приложений, которые в прошлом считались невоз-
можными, неосуществимыми или нерентабельными. Теперь мы можем рас-
смотреть возможность массовой кастомизации (изготовления продукции
по конкретным техническим требованиям заказчика), при которой изделие
может быть изготовлено в соответствии со вкусами отдельного потребите-
ля, но за рентабельную цену. Затем мы обсудим, как использование этой
технологии влияет на процесс проектирования и его улучшение с учетом
подхода WYSIWYB. Это плавно переводит нас к объектам приложения
AП, в том числе инструментам и продукции для медицинской, аэрокосми-
ческой и автомобильной промышленности. Мы заканчиваем книгу главой
о бизнесе или применении на уровне предприятия различных направле-
ний AП, исследуя, как эти системы позволяют креативным предприятиям
и предпринимателям придумывать новые продукты, а также описываем
перспективные в будущем области приложения АТ.
Эта книга в первую очередь предназначена для студентов и препода-
вателей, изучающих АП, либо может пригодиться в качестве автономного
курса или как модуль в большой программе по технологии производства.
В ней достаточно глубоко представлена информация об АП, чтобы быть
полезной для студентов или аспирантов, она сопровождается многочис-
ленными ссылками на литературные источники, чтобы указать молодым
людям, изучающим этот предмет, направления дальнейшего поиска. Каж-
дая глава имеет также ряд вопросов и упражнений, предназначенных для
тестирования знаний читателя и расширения понимания предмета. В по-
мощь педагогам в комплекте и как часть второго издания идет руководство
с инструкциями, которое включает дополнительные задания и их решения.
Разработчики AП также найдут полезные сведения в этой книге, посколь-
ку она поможет им понять состояние дел в области и укажет возможности
для дальнейших исследований.
В новой редакции книги мы сделали ряд изменений по сравнению с из-
данием 2009 года. Кроме того, мы собрали всю возможную информацию
об изменениях в этой отрасли, которую разместили в ряде новых раз-
делов и глав. Так, была расширена глава о медицинских приложениях,
в нее мы включили обсуждение приложений для автомобильной и аэрокос-
мической отрасли. Представлена новая глава по быстрому изготовлению
оснастки, а также глава, посвященная недавним достижениям в секторе
недорогих AП. Мы вставили описание спектра последних технологиче-
ских инноваций, в том числе обсуждение нового формата файлов для
аддитивных технологий (Additive Manufacturing File Format), а также дру-
гие дополнения, сопровождающие стандартизацию AП в ASTM (American
Society for Testing and Materials Американское общество специалистов по
испытаниям материалов) и ISO. Мы обновили терминологию в тексте, что-
бы соответствовать терминологии, разработанной комитетом ASTM F42,
который также был принят в качестве международного стандарта ISO.
Во втором издании мы тщательно отредактировали текст, удалили ссыл-
ки на технологии, принадлежащие отдельным компаниям, а вместо этого
сосредоточились на технологических принципах и общем представлении
этих технологий. Мы разделили исходную главу, посвященную процессам
печати, на две главы: о разбрызгивании материала и связующего, чтобы
отразить стандартную терминологию и эволюцию этих процессов в раз-
ных направлениях. Мы уверены, что в результате этих многочисленных
дополнений и изменений настоящее издание стало более полным.
Однако, несмотря на наши усилия, мы понимаем, что книга о такой
быстро меняющейся технологии не долго будет источником самой свежей
информации. Поэтому мы будем обновлять наш курс на сайте http://www.
springer.com/978-1-4419-1119-3, публикуя там дополнительные домашние
упражнения для студентов и новые материалы для педагогов. Если у вас
есть комментарии, вопросы или предложения по улучшению, они будут
только приветствоваться. Мы ожидаем обновления этой книги в будущем
и с нетерпением ждем ваших комментариев о том, как вы использовали
эти материалы, и пожеланий по улучшению нашей книги.
Как упоминалось ранее, каждый автор является признанным специа-
листом в области аддитивных технологий, имеющим многолетний опыт
работы и исследований. Кроме того, во многих отношениях появление
этой книги стало возможным только благодаря участию в наших работах
студентов и коллег, с которыми мы сотрудничали на протяжении многих
лет. Для представления авторов и некоторых других участников процесса
издания книги мы заканчиваем это предисловие краткими биографиями
авторов и благодарностями.
Ян Гибсон (Сингапур),
Давид Розен (Атланта, Джорджия, США),
Брент Стакер (Луисвилл, Кентукки, США)
Благодарности
Доктор Брент Стакер благодарит штатЮта и Технический исследователь-
ский центр VTT Финляндии за предоставление времени для работы над
первым изданием этой книги и творческого отпуска в Хельсинки; а также
Университет Луисвилля за свободный график преподавательской работы
и создание условий для творчества, которые были так необходимы для за-
вершения второго издания книги. Кроме того, написание большей части
этой книги не стало бы возможным без исследований аспирантов и док-
торантов, которые работали с доктором Стакером на протяжении многих
лет. В частности, он хотел бы поблагодарить доктора Г.Д. Джанаки Рам
из Индийского технологического института в Мадрасе, который выступил
соавтором главы ¾Аддитивные технологии на основе послойного синтеза¿
в справочнике CRC Materials Processing Handbook. Эта его работа очень
помогла со структурированием текста нашей книги. Кроме того, работы
следующих студентов стали частью информации, излагаемой в этой кни-
ге и в сопровождающих ее учебных заданиях: Муни Малхотра, Сючжи
Ку, Карсон Эсплин, Адам Смит, Джошуа Джордж, Кристофер Робинсон,
Янжи Ян, Мэтью Суонк, Джон Обелодан, Кай Цзэн, Хайцзюнь Гун, Сяо-
дун Син, Хенфен Гу, Мд. Анам, Хачикет Патил и Дипанкар Пал. Особую
благодарность доктор Стакер выражает своей жене Гейл и детям Тристи,
Эндрю, Меган и Эмме, которые терпеливо поддерживали его во время
работы над этой книгой в течение многих дней и вечеров.
Профессор Давид У. Розен выражает благодарность Технологическому
институту Джорджии за поддержку и благодарит многих аспирантов и
постдоков, которые своими работами способствовали созданию этой книги.
В частности, этого доктора: Фэй Дин, Амит Джаривала, Скотт Джонстон,
Амейя Лимайе, Дж. Марк Мичем, Беней Сагер, Л. Ангела Це, Гончинь
Ван, Крис Уильямс, Юн Ян и Венчао Чжоу, а также Лорен Марголин и
Ксиаюн Чжао. Особая благодарность его жене Джоан и детям Эрику и
Кристе за их терпение, которое они проявляли к нему во время работы
над этой книгой.
Профессор Ян Гибсон хотел бы отметить поддержку Университета Ди-
кин, которая выражалась в предоставлении достаточного времени для его
работы над этой книгой. Л.К. Ананд также помог в подготовке многих
рисунков и изображений для написанных Я. Гибсоном глав. Наконец, он
хотел бы поблагодарить свою любимую жену Лину за ее терпение, любовь,
понимание, проявленные в течение долгих часов подготовки материала и
написания глав. Он также посвящает эту книгу своему покойному отцу
Роберту Эрвину Гибсону и надеется, что он бы гордился этим замечатель-
ным достижением своего сына.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ
Аннотация
Технология, описанная в этой книге, изначально была названа быстрым
прототипированием. Термин «быстрое прототипирование» (БП, RP —
Rapid Prototyping) используется в различных отраслях промышленности
для описания процесса быстрого изготовления модели или макета сис-
темы или ее части перед окончательным запуском в производство или
коммерциализацией. Иными словами, акцент делается на быстром созда-
нии прототипа или базовой модели, на основе которой можно было бы
в дальнейшем разрабатывать более точные модели и в итоге получить
конечный продукт. Консультанты по вопросам управления и инженеры-
программисты используют термин «быстрое прототипирование» для опи-
сания своих процессов развития бизнеса и программных подходов в виде
кусочно-слоеных моделей-прототипов, что позволяет клиентам и другим
заинтересованным сторонам проверить реализацию идеи и обеспечить об-
ратную связь в процессе разработки. В контексте разработки продукции
термин .быстрое прототипирование. широко используется для описания
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным. Эта книга посвящена именно таким новейшим тех-
нологиям, разработанным для изготовления прототипов, но в настоящее
время применяющимся и для многих других целей.
1.1. Что такое аддитивное производство?
Аддитивное производство — это официальный термин для обозначения
процессов, которые ранее определялись как быстрое прототипирование,
а в широком использовании — Трехмерная печать. Термин «быстрое про-
тотипировани» (БП, RP — Rapid Prototyping) используется в различных
отраслях промышленности для описания быстрого представления системы
или ее части перед выпуском конечного продукта или коммерциализацией.
Иными словами, акцент сделан на быстром создании прототипа изделия —
опытного образца, на основе которого происходит дальнейшее уточняющее
моделирование и в конце концов разработка конечного продукта. Консуль-
танты по вопросам управления и программисты также используют термин
"быстрое прототипирование" для описания процесса развития бизнеса и
программных продуктов кусочно-слоеными прототипами, что позволяет
клиентам и другим заинтересованным сторонам проверить идеи и обес-
печить обратную связь в процессе разработки. В контексте разработки
продукта термин "быстрое прототипирование" широко используется для
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным моделирования. Наша книга посвящена именно таким
технологиям, изначально разработанным для прототипирования, но в на-
стоящее время используемым для многих других целей.
Пользователи технологии БП пришли к выводу, что этот термин яв-
ляется недостаточным и, в частности, не эффективно представляет бо-
лее поздние приложения технологии. Улучшение качества продукции и
оборудования для БП означало гораздо более тесную связь с конечным
продуктом. В настоящее время многие детали изготавливаются сразу на
подобном оборудовании, поэтому мы не имеем права называть их про-
тотипами. Термин "быстрое прототипирование" также указывает на ос-
новной принцип этих технологий, который заключается в изготовлении
всех изделий аддитивным методом. Недавно созданный в рамках ASTM
International (American Society for Testing and Materials — Американско-
го общества специалистов по тестированию материалов) Технический ко-
митет принял решение о введении новой терминологии. Несмотря на то
что данное решение все еще находится в стадии обсуждения, в принятых
ASTM в последнее время стандартах используется термин "аддитивное
производство" (АП) [1].
Основной принцип технологии АП заключается в том, что модель пер-
воначально генерируется с использованием системы трехмерного автома-
тизированного проектирования (3D САПР, 3D CAD — Computer-Aided
Design), а изделие изготавливается непосредственно без необходимости
планирования процесса. Хотя в реальности все выглядит далеко не так
просто, АП, конечно, значительно упрощает процесс производства слож-
ных трехмерных объектов прямо по данным САПР. Другие (традици-
онные) производственные процессы требуют тщательного и детального
анализа геометрической формы и размеров детали, чтобы определить по-
рядок обработки поверхностей, выбор инструментов и процессов техноло-
гической цепочки, потребность в дополнительной оснастке для финишной
обработки изделия. АП, в отличие от них, нужны только некоторые ос-
новные данные о размерах, некоторое знание о принципах работы машин
АП и свойствах материалов, выбранных для данного изделия.
Ключом к пониманию АП является принцип изготовления изделия —
послойное добавление материала, причем каждый слой представляет со-
бой тонкий поперечный срез изделия, информация обо всех параметрах
которого содержится в исходных данных САПР. Очевидно, что на физи-
ческом уровне каждый слой должен иметь конечную толщину, поэтому
получающееся в итоге изделие будет приближением к исходной вирту-
альной модели, как показано на рис. 1.1. Чем тоньше каждый слой, тем
ближе конечная деталь к оригиналу. Все коммерциализованные на сего-
дняшний день машины АП используют послойный подход и отличаются
друг от друга только используемыми материалами, методами создания
слоев и соединения слоев друг с другом. Этими различиями определяются
точность соответствия конечного изделия заданной модели и его физико-
механические свойства. Они также определяют время изготовления де-
тали, необходимость финишной обработки, размер машины АП, общую
стоимость машины и всего процесса.
В этой главе мы хотим ввести основные понятия АП и описать об-
щий процесс AП от проектирования до изготовления конкретных изделий.
Далее мы обсудим влияние АП на проектирование и производство и попы-
таемся разобраться, как в этом контексте может измениться весь процесс
разработки продукта. Поскольку АП становится все более важным элемен-
том проектирования и разработки изделий, глава завершается обсужде-
нием некоторых соответствующих инструментов, необходимых в процессе
разработки продукта.
1.2. Где используются изделия АП?
В этой книге вы найдете описание широкого спектра приложений AП. Вы
также узнаете, что их количество растет по мере развития и совершенство-
вания технологических процессов. Первоначально АП применялось только
для создания презентационных моделей изделий во время их разработки.
Широко известно, что модели гораздо нагляднее и полезнее для оценки
проекта, чем чертежи или визуализация, поскольку помогают в полной ме-
ре понять намерения проектировщика, представляющего концепцию про-
екта. Рисованные эскизы, конечно, создавать быстрее и проще, однако для
изготовления модели требуется полностью проверить все проектные рас-
четы.
Помимо изготовления исходных моделей, АП в течение определенно-
го времени развивалось в направлении улучшения качества материалов,
повышении точности изготовления и общего качества производства. Мо-
дели нашли применение в качестве источника уточняющей информации
по принципу 3F (Form, Fit, and Function) —формы, пригодности к сбор-
ке и функционирования изделия. Начальные модели были использованы,
чтобы в полной мере оценить форму и общую цель конструкции (форма).
Повышение точности изготовления в процессе означало, что детали изго-
тавливались с допусками, необходимыми для целей сборки (пригодность к
монтажу). Улучшение физико-механических характеристик означало, что
деталь правильно обработана, поэтому ее можно оценивать в соответствии
с ее конечным функциональным назначением (функция).
Сказать, что АП оказалось полезно только для создания моделей, было
бы неправильно и стало бы недооценкой технологии. В сочетании с дру-
гими методами в технологических цепочках АП могут быть использованы
для значительного сокращения времени разработки продукта и затрат.
Совсем недавно некоторые из этих технологий были усовершенствованы
до такого уровня, что на выходе сразу можно получить конечный про-
дукт. Это объясняет, почему терминология существенно изменилась от
"быстрого прототипирования" до "аддитивного производства". Кроме то-
го, использование мощных лазеров привело к тому, что изделия можно
сразу изготавливать из разных металлов, что еще больше расширяет об-
ласть применения АП.
1.3. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аддитивное производство включает в себя ряд этапов для перехода от
виртуального описания в САПР к изготовлению изделия на физическом
уровне. Степень применения АП изменяется в зависимости от конкретного
изделия. Для изготовления небольших, относительно простых изделий АП
используется лишь для создания визуализационных моделей, в то время
как более крупные, более сложные объекты, для проектирования которых
необходима объемная проектная документация, включают АП на много-
численных этапах и итерациях в течение всего процесса изготовления.
Кроме того, на ранних этапах процесса проектирования изделия могут
потребоваться просто заготовки, в этом случае прибегают к АП из-за ско-
рости, с которой они могут быть изготовлены. На более поздних стадиях
процесса изделиям требуется финишная обработка и доводка (в том числе
шлифование, подготовка поверхности и покраска) перед использованием,
здесь АП полезны для создания сложных форм без необходимости подбора
специальных инструментов. Далее мы тщательно рассмотрим различные
этапы процесса АП, но в итоге большинство таких процессов в разной сте-
пени включают следующие восемь этапов (рис. 1.2).
1.3.1. Этап 1. Проектирование в среде САПР
Изготовление любых деталей с использованием АП должно начинаться
с создания виртуальной модели с помощью специального программного
обеспечения, которое полностью описывает геометрическую форму и раз-
меры внешней поверхности изделия. Это может включать использование
практически любого профессионального программного обеспечения САПР
для твердотельного моделирования, но в любом случае на выходе нужно
получить трехмерное представление твердого тела или его поверхности.
Оборудование для обратного инжиниринга (например, лазерного и оп-
тического сканирования) также может потребоваться для создания этого
представления.
1.3.2. Этап 2. Преобразование в STL-файлы
Почти каждая машина АП принимает формат STL (Stereo Lithography)
файлов, которые стали стандартом де-факто, и в настоящее время почти
каждая САПР может выводить такие файлы в этом формате. В таких фай-
лах описаны внешние замкнутые поверхности изначальной САПР-модели,
они формируют основу для расчета слоев.
1.3.3. Этап 3. Перенос STL-файла в машину АП и манипулирование этими файлами
STL-файл с описанием изделия передается в машину АП. Здесь произво-
дятся некоторые общие манипуляции с файлом исправление размеров,
позиционирование и ориентация для изготовления изделия.
1.3.4. Этап 4. Настройка машины
Перед началом изготовления машину АП нужно правильно настроить.
В установках нуждаются параметры изготовления, например пределы ис-
пользования материала, источник энергии, толщина слоя, тайминги и т.д.
1.3.5. Этап 5. Изготовление
Изготовление изделия представляет собой большей частью автоматизиро-
ванный процесс, поэтому машина способна выполнять его практически без
контроля оператора. Необходим только поверхностный мониторинг рабо-
ты машины в отдельных случаях, чтобы не произошло ошибки, например
закончился материал для печати, отказал источник питания или програм-
мное обеспечение и т.д.
1.3.6. Этап 6. Извлечение изделия
После завершения изготовления нужно извлечь изделие. Для этого иног-
да требуется провести некие манипуляции с машиной, в которую встроены
блокировки безопасности, чтобы обеспечить, например, снижение темпе-
ратуры или отсутствие активно движущихся частей.
1.3.7. Этап 7. Последующая обработка
После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополни-
тельная очистка перед использованием. На этом этапе изделия еще могут
не набрать нужную прочность или в них остаются вспомогательные по-
верхности, которые должны быть удалены. Таким образом, на эти работы
часто требуются время и тщательная ручная обработка опытным опера-
тором/
1.3.8. Этап 8. Применение
В некоторых случаях детали уже могут быть готовы к использованию.
В других случаях требуется дополнительная обработка перед эксплуата-
цией. Например, могут потребоваться грунтовка и покраска для создания
нужной текстуры поверхности и финишной обработки. Обработка может
быть трудоемкой и длительной, если требования к конечному продукту
очень высоки. Также по техническим условиям на изделие отдельные дета-
ли должны быть собраны вместе с другими механическими или электрон-
ными компонентами, чтобы сформировать конечную модель или продукт.
Теперь, после рассмотрения многочисленных этапов процесса AП ста-
новится понятно, что многие машины AП требуют тщательного техни-
ческого обслуживания. Во многих машинах встроены хрупкие лазерные
или печатные устройства, которые нужно внимательно контролировать.
Их нельзя эксплуатировать в грязной или шумной обстановке. Несмотря
на то что машины, как правило, предназначены для работы без участия и
контроля оператора, техническое обслуживание должно включать в себя
регулярные проверки, кроме того, перечень работ по техническому обслу-
живанию может различаться в зависимости от применяемой технологии
АП. Важно также отметить, что процессы AП выходят за пределы име-
ющихся стандартов на большинство материалов и технологий, что объяс-
няет недавний интерес Технического комитета ASTM F42 по аддитивным
технологиям, который работает для решения этой проблемы [1]. Тем не
менее многие производители машин АП рекомендуют и предоставляют
тестовые шаблоны, которые можно использовать для проверки работы ма-
шин в допустимых пределах.
Кроме технического обслуживания оборудования, бережного отноше-
ния требуют и применяемые материалы. Сырье, используемое в некото-
рых процессах AП имеет ограниченный срок годности, также для неко-
торых материалов требуется хранение в определенных условиях, которые
предотвращают нежелательные химические реакции. Нужно избегать воз-
действия влаги, света, загрязнений материалов. В большинстве процессов
используются материалы, которые могут быть повторно использованы для
изготовления других деталей. Тем не менее для повторного использования
есть ограничения, поскольку в результате может произойти ухудшение
свойств, поэтому нужно соблюдать процедуры для поддержания посто-
янного качества материала в ходе многократного
1.4. Почему используется термин "аддитивное производство"?
В настоящее время рассматриваемая нами технология заключается преж-
де всего в использовании аддитивных процессов, т.е. укладке тем или
иным способом (добавлении) материала слой за слоем. Термин «аддитив-
ное производство» (от англ. additive добавлять), или АП, очень хорошо
представляет данный процесс, однако есть достаточно много синонимов.
В этом разделе рассматриваются другие термины, которые были использо-
ваны для обозначения этой технологии, чтобы лучше объяснить ее общую
цель и преимущества для разработки и изготовления продукции.
менее ничего не мешает предположить, что,
несмотря на этот важный принцип, будущие системы будут добавлять
материал при изготовлении изделий по другим принципам и точно так
же будут включены в эту классификацию согласно широкому спектру
критериев. Следует добавить сюда и слегка измененный термин «адди-
тивное изготовление путем формообразования (аддитивное формование)»
(Additive Fabrication), который ввел Терри Волерс, известный консультант
по АП, который пишет широко известные ежегодные отчеты о текущем
состоянии этой отрасли [3]. Тем не менее многие специалисты предпочи-
тают термин «производство» (manufacturing), поскольку «формование»
(fabrication) имеет некоторый негативный смысл, отсылающий к поня-
тию «прототип», т.е. заготовка, а не к конечному продукту. Кроме того,
в некоторых регионах мира термин «формование» ассоциируется с гибкой
листового металла и связанными с ней процессами, и, таким образом, спе-
циалисты из этих регионов часто возражают против использования слова
«формование» для обозначения этой технологии. Следовательно, термин
«аддитивное производство» начинает широко использоваться, например
был применен Волерсом в его последних публикациях и презентациях.
1.4.4. Стереолитография или трехмерная печать
Эти два термина изначально введены при описании определенных машин.
Термин «стереолитография» (SL — Stereolithography) был использован
американской компанией 3D Systems [4, 5], а трехмерная печать (3DP)
широко используется исследователями в Массачусетском технологическом
институте [6], которые изобрели технологию на основе струйной печати.
Оба термина указывают на участие в производстве двумерных процес-
сов (литографии и печати) и расширение их в третье измерение. Так как
большинство людей хорошо знакомы с технологией печати, идея ее ис-
пользования для изготовления физического трехмерного объекта имеет
смысл. Многие считают, что в конечном итоге термин «трехмерная пе-
чать» станет наиболее часто используемым для обозначения технологии
AП. Недавний рост интереса СМИ к технологии это доказал, поэтому для
широкой публики более узнаваем термин «трехмерная печать», чем любой
другой, который употребляется в этой книге.
1.4.5. Быстрое прототипирование
Термин «быстрое прототипирование» был названием этого процесса, по-
скольку технология изначально создавалась для улучшения или замены
той или иной модели изделия (прототипа). Производители и разработчи-
ки продукта считают прототипирование сложным, утомительным и до-
рогостоящим процессом, который часто препятствует развитию и творче-
ским этапам в процессе внедрения нового продукта. БП предназначено для
значительного ускорения этого процесса, поэтому термин использовался
достаточно широко. Тем не менее пользователи и разработчики этой тех-
нологии теперь понимают, что АП, имеет гораздо больше возможностей,
нежели простое изготовление прототипов.
Значительное улучшение точности изготовления и свойств материа-
лов позволили включить эту технологию в тестирование, изготовление
оснастки, производство и другие сферы, к которым нельзя применить
термин «прототипирование». Тем не менее очевидно, что большинство
других терминов, описанных выше, также далеко не безупречны. Одна
из возможностей заключается в том, что многие продолжат использовать
термин БП для различных видов производств, не ограниченных только
прототипированием, подобно тому, как IBM занимается не только произ-
водством офисного оборудования, а компания 3М работает за пределами
горнодобывающей отрасли. Интересно посмотреть, как терминология бу-
дет развиваться в будущем.
Во всех случаях, где это возможно, мы использовали термин «аддитив-
ное производство» или его аббревиатуру AП в качестве общего термина
для набора технологий, описываемых в этой книге. Следует отметить, что
в литературе большинство введенных выше терминов являются взаимоза-
меняемыми; но различная терминология может указывать на конкретный
подход, используемый в конкретном случае. Поэтому и в этой книге, и в
интернет-поисковиках, и в другой литературе читатель должен учитывать
контекст, чтобы лучше понять значение каждого термина.
1.5. Преимущества аддитивного производства
Многие специалисты считают технологию АП революцией в разработке
и производстве изделий. Некоторые даже пошли еще дальше, утверждая,
что производство, как мы его знаем сегодня, перестанет существовать, если
мы будем развивать AП до его логического завершения, и в настоящий мо-
мент мы переживаем новую промышленную революцию. Сейчас АП часто
называют одной из самых передовых технологий, которые изменяют спо-
соб проектирования и производства изделий. Следовательно, мы имеем
полное право задать вопрос: «Так ли это?» Что такое есть в АП, что вдох-
новляет людей на подобные заявления?
Во-первых, давайте рассмотрим «быстрый» характер этой технологии.
Преимущество в скорости относится не только ко времени, необходимому
на создание деталей. Форсирование всего процесса создания продукта воз-
можно благодаря повсеместному использованию компьютеров. Поскольку
в технологии применяется 3D САПР в качестве отправной точки и пере-
дача проектной документации AП происходит беспрепятственно, не стоит
беспокоиться по поводу преобразования данных или интерпретации цели
проектирования. Так же как 3D САПР работает по принципу «получаешь
то, что видишь» (WYSIWYG — You See Is What You Get), так же обстоит
дело и с АП, поэтому про эту технологию мы с полным правом можем
сказать «строишь то, что видишь» (WYSIWYB What You See Is What
You Build).
Неразрывность и целостность всего процесса может также рассматри-
ваться с точки зрения сокращения технологических операций. Независи-
мо от сложности деталей, их изготовление внутри машины AП обычно
проводят в одну стадию. Большинство традиционных производственных
процессов потребовало бы нескольких этапов и итераций. Чем сложнее раз-
рабатываемый вами дизайн (конструкция) изделия, тем в большей степени
увеличивается количество этапов для его производства. Даже относитель-
но простое изменение конструкции может привести к значительному уве-
личению времени изготовления обычными методами. Поэтому АП можно
рассматривать как метод, при котором очень эффективно прогнозировать
временные затраты на изготовление изделия, независимо от того, какие
изменения могут быть введены на первых этапах разработки изделия.
Аналогичным образом при использовании АП можно существенно сни-
зить количество необходимых процессов и ресурсов. При обычном про-
изводстве даже опытному мастеру для изготовления прототипа в соот-
ветствии с набором чертежей САПР потребуется работать в несколько
этапов. Это объясняется тем, что ему придется пользоваться различными
методами обработки, начиная с ручной резьбы, отливки, штамповки и до
применения станков с ЧПУ. Ручная механическая обработка и подобные
операции утомительны, трудны и не лишены ошибок. Отливка гряз-
ный процесс, для него требуется изготовление форм. Работа на станках
с ЧПУ требует тщательного планирования и последовательного подхода,
также необходим монтаж оснастки еще до вытачивания детали. Конечно,
изначально предполагается, что мастер владеет всеми этими технология-
ми и у него под рукой находятся необходимые для изготовления детали
инструменты.
АП можно использовать для отказа или хотя бы снижения трудоем-
кости многих этапов этих многоступенчатых процессов. С добавлением
некоторых вспомогательных технологий, таких как силикон-каучуковое
литье, сверление, полировка, шлифование, вполне возможно изготавли-
вать широкий спектр различных деталей с различными характеристиками.
Производственные процессы, включающие технологии AП, намного чище,
более рациональны и универсальны, чем традиционные технологии маши-
ностроения.
1.6. Различие между аддитивным производством и обработкой на станках
Как уже упоминалось в обсуждении автоматизированного производства,
по структуре АП имеет много общего с работой на станках с ЧПУ. Техно-
логия ЧПУ также имеет в своей основе компьютерное управление, кото-
рое используется для производства продукции. Изготовление изделий на
станках с ЧПУ отличается в основном тем, что в процессе производства
происходит удаление материала, а не его добавление. Для изготовления
на станках с ЧПУ потребуется заготовка размером больше той детали,
которую нужно из нее выточить. В этом разделе мы сравним основные
характеристики работы на станках с ЧПУ и AП. Цель на самом деле за-
ключается не в убеждении читателя в том, что одна технология лучше
другой, а в том, чтобы показать, как реализовать их на разных этапах
изготовления продукции или для ее различных видов.
1.6.1. Материал
Технология АП была первоначально разработана для полимерных мате-
риалов, восков и бумажных слоистых материалов. Впоследствии началось
внедрение в АП композитов, металлов, керамики. Станки с ЧПУ могут
быть использованы для мягких материалов, таких как средней плотно-
сти древесноволокнистые плиты (оргалит), технологичные (поддающихся
машинной обработке) пены и воски и даже некоторые полимеры. Тем не
менее использование станков с ЧПУ для формирования более мягких ма-
териалов ориентировано на подготовку этих деталей для использования
в многостадийном процессе, например в отливке заготовок. Станки с ЧПУ
лучше всего применять для точного изготовления конечного продукта —
высококачественных деталей с заданными характеристиками из твердых,
но относительно хрупких материалов, таких как сталь и другие сплавы ме-
таллов. Некоторые изделия, изготовленные с применением AП, напротив,
имеют полости и отверстия или анизотропию свойств, которые зависят от
ориентации изделия, параметров производственного процесса или метода
ввода проектной документации в машину, в то время как изделия, изго-
товленные на станках с ЧПУ, обладают большей однородностью свойств
и имеют более предсказуемые параметры качества.
1.6.2. Скорость изготовления
Высокоскоростной станок с ЧПУ способен удалять материал гораздо быст-
рее, чем машины AП добавляют слой за слоем до аналогичного объема.
Тем не менее это только часть картины, поскольку технология АП может
быть использована только на одном этапе. Станки с ЧПУ требуют значи-
тельных трудозатрат на настройку и планирование процесса, особенно для
изготовления деталей сложной геометрической формы. Поэтому скорость
следует оценивать с точки зрения всего процесса, а не только физического
воздействия на материал детали. Станки с ЧПУ применяются в многосту-
пенчатом производственном процессе, в ходе которого нужно перемещать
или переставлять деталь внутри одной машины или использовать разные
станки. Для изготовления детали в машине AП требуется всего несколько
часов; часто несколько деталей изготавливаются партиями за один этап
АП. Финишная обработка может занять несколько дней, если требуется
высокое качество. Тот же процесс обработки на станке с ЧПУ, даже на
5-осевом высокоскоростном, может занять несколько недель, причем зара-
нее нельзя предсказать точный срок изготовления детали.
1.6.3. Сложность
Как упоминалось выше, чем выше сложность геометрической формы, тем
большее преимущество имеет АП по сравнению с ЧПУ. Если станок с ЧПУ
используется для создания сразу единой детали, то возникают случаи, ко-
гда некоторые геометрические характеристики просто невозможно изгото-
вить. Установка обрабатывающего инструмента на шпинделе накладывает
определенные ограничения на доступ к детали или столкновения с ней,
чтобы воспрепятствовать незапланированному движению инструмента по
обрабатываемой поверхности детали. Процессы AП не имеют подобных
ограничений, поэтому удаляемые и внутренние поверхности можно легко
нарастить и достроить без специального планирования процесса. Некото-
рые детали не могут быть изготовлены на станках с ЧПУ, если они не
разделены на компоненты и не требуют сборки на последующих этапах
изготовления. Рассмотрим, например, возможность обработки макета ко-
рабля внутри бутылки. Как вы будете изготавливать макет корабля, когда
он находит в бутылке? Скорее всего, вы отдельно изготовите оба элемен-
та, а затем найдете способ объединить их вместе в результате сборки или
соединения. Благодаря использованию АП вы можете построить корабль
в бутылке сразу. Поэтому инженер-машиностроитель должен проанализи-
ровать проект каждой детали до начала ее изготовления. Это необходимо
для того, чтобы гарантировать возможность изготовления детали и опре-
делить способы ее изготовления. Несмотря на то что некоторые детали
нельзя изготовить с применением АП, вероятность таких случаев очень
низка и имеется масса способов, как все же осуществить это без особых
трудностей.
1.6.4. Точность
Машины AП, как правило, работают с разрешением в несколько десят-
ков микрон. Общим правилом для машин AП является различное раз-
решение вдоль каждой из ортогональных осей. Вертикальная ось сборки
соответствует толщине слоя, поэтому по ней будет более низкое разреше-
ние по сравнению с двумя другими осями в плоскости сборки. Точность
в плоскости сборки определяется расположением механизма сборки, кото-
рый обычно включает коробки передач и двигатели разных видов. Этот
механизм также может определять минимальный размер. Например, в тех-
нологии SL используется лазер как часть механизма сборки, его обычно
позиционируют с помощью зеркальных гальванометров с приводами. Раз-
решение гальванометров позволяет определить общие размеры изготавли-
ваемых деталей, в то время как диаметр лазерного луча будет определять
минимальную толщину стенки. Точность станков с ЧПУ в основном опре-
деляется аналогичным разрешением позиционирования вдоль всех трех
ортогональных осей и диаметров вращающихся режущих инструментов.
Нужно учитывать факторы, которые зависят от геометрии инструмен-
та, например радиусов внутренних углов, но толщина стенки может быть
меньше диаметра инструмента, так как в данном случае мы рассматриваем
процесс удаления материала. В обоих случаях изготовление очень мелких
деталей также зависит от их геометрии и свойств материала.
1.6.5. Геометрическая форма
Машины AП, по существу, разбивают сложную задачу изготовления в трех-
мерии на серию укладки простых двумерных сечений номинальной тол-
щины. Таким образом, из производственного процесса трехмерной печа-
ти исключается этап соединения поверхностей, а непрерывность процесса
определяется близостью соседних поперечных сечений. Поскольку на стан-
ках с ЧПУ подобные переходы сделать не так просто, обработка поверх-
ностей, как правило, должна быть сгенерирована в трехмерном простран-
стве. Для деталей простой геометрической формы, например цилиндров,
конусов, прямоугольных параллелепипедов и т.д., это относительно про-
стой процесс, который определяется стыками (точками соединения поверх-
ностей) вдоль пути режущего инструмента. Эти точки находятся довольно
далеко друг от друга, поэтому положение инструмента фиксируется. В слу-
чаях произвольных поверхностей эти точки могут располагаться очень
близко друг к другу, следовательно, требуются многочисленные измене-
ния в ориентации инструмента или детали. Детали с такой геометрией
чрезвычайно трудно производить на станках с ЧПУ, даже с интерполиро-
ванным управлением по пяти и более осям. Подсечки, внутренние полости,
острые внутренние углы и другие элементы поверхности не всегда удается
обработать, если их параметры находятся за определенными пределами.
Рассмотрим, например, элементы поверхности детали, представленной на
рис. 1.3. Многие из них очень трудно обрабатывать без манипуляций с де-
талью на различных этапах.
1.6.6. Программирование
При использовании станков с ЧПУ необходимо определить последователь-
ности операций в программе изготовления детали, а также произвести
выбор инструмента, настройку скорости обработки, положение и угол под-
хода и т.д. Многие машины AП имеют выбор опций, но трудоемкость и
затраты времени на выбор диапазона, сложности обработки и последствия
в случае неправильного выбора оказываются минимальными по сравне-
нию со станками с ЧПУ. Худшее, что может произойти при использовании
AП машины, — это некачественное изготовление детали, если програм-
мирование не проведено на достаточно высоком уровне. Неправильное
программирование на станке с ЧПУ заканчивается серьезным поврежде-
нием машины и даже может представлять опасность для токаря.
1.7. Примеры изделий аддитивного производства
На рис. 1.4 показан монтаж изделий, изготовленных с использованием
некоторых общих процессов АП. Изделие а было изготовлено на машине
для стереолитографии и представляет собой упрощенный фюзеляж для
беспилотного летательного аппарата с покрытием, усиленным конформной
решетчатой конструкцией (более подробно о производственном процессе
читайте в главе 4). Более полное описание этой детали включено в главу
о проектировании АП. Детали б и в были изготовлены с использовани-
ем струйного распыления материала (см. главу 7). На примере детали б
продемонстрирована возможность одновременного нанесения нескольких
материалов, в этом случае один набор головок используется для нанесения
прозрачного материала, а другой набор для нанесения черного материа-
ла линий и названия Objet. Изделие в это часть цепочной конструкции.
В обоих изделиях б и в есть рабочие вращательные соединения, которые
были изготовлены с использованием допусков на зазоры для соединений
и убираемой подпорки. Изделие г — металлическое, оно изготовлено на
машине по спеканию металлического порошка (metal powder bed fusion
machine) электронным пучком в качестве источника энергии (глава 5).
Это изделие является моделью имплантата для лица. Изделие д — изго-
товлено на машине для соединения листовых материалов, которая имеет
струйную печать материалов нескольких цветов (глава 9). Изделия е и ж
изготовлены с методом экструзии (выдавливания) материала (глава 6).
Деталь е является храповым механизмом, который был изготовлен в еди-
ной сборке на промышленной машине. Опять же работа этого механизма
достигается путем правильного проектирования соединений и применения
убираемой подпорки. Изделие ж было изготовлено на дешевой личной
машине (которая установлена дома у одного из авторов). Изделия з и и
изготовлены методом спекания полимерного порошка. Изделие з — это
хорошо известная модель зубчатой передачи, так называемая brain gear
(ведущая шестерня). В ней вращение одного колеса приводит в движение
все остальные колеса. Поскольку изделиям, изготовленным из PBF по-
лимера, не нужны подпорки, работающие вращательные и передаточные
соединения могут быть созданы путем управления допусками и удаления
лишнего порошка в местах соприкосновения. Деталь и другая конформ-
ная решетчатая структура, на ее примере также показаны возможности
АП по изготовлению сложных форм.
1.8. Другие родственные технологии
Наиболее распространенный способ ввода проектной информации для тех-
нологии AП — загрузка файла, вначале разработанного в традиционной
системе 3D САПР, а затем преобразованного в формат STL. Есть, однако,
и другие способы получения STL-файлов и другие технологии, которые
могут быть использованы в сочетании с AП. В этом разделе будут описа-
ны некоторые из них.
1.8.1. Технология реверс-инжиниринга
Все больше моделей строятся на основе данных, полученных с помощью
реверс-инжиниринга (РИ), средств 3D визуализации и соответствующе-
го программного обеспечения. В этом контексте РИ представляет собой
процесс сбора геометрических данных другого объекта. Эти данные, как
правило, изначально доступны в форме так называемого «облака точек
сканирования», что означает множество соединенных между собой точек
в пространстве, представляющих поверхности объекта. Эти точки нужно
соединить вместе с помощью программного обеспечения для РИ, например
Geomagic [7], которое также может быть использовано, чтобы объединить
облака точек из разных сканов и выполнения других функций, таких как
заполнение отверстий и сглаживание поверхностей. Во многих случаях эти
данные могут быть неполными. Образцы, например, приходится помещать
в удерживающую оснастку, поэтому прилегающие к ней поверхности не
будут отсканированы должным образом. Кроме того, одни поверхности
могут скрывать другие, так происходит в глубоких вырезах и пазах и во
внутренних полостях и отверстиях; поэтому трудно получить внешний вид
реального объекта. Недавние достижения в высоких технологиях позволи-
ли сделать гигантский рывок в технологии сканирования. Адаптированные
мобильные телефоны всего за несколько сотен долларов со встроенным фо-
тоаппаратом в настоящее время производят настолько высококачественное
3D сканирование, для которого несколько лет назад потребовался бы до-
рогой лазерный сканер или система стереоскопических камер стоимостью
100 000 долларов или больше.
Инженерные объекты, как правило, сканируются лазерными сканера-
ми или с помощью контактных датчиков. Для объектов, имеющих слож-
ную геометрию внутренних поверхностей, или анатомических моделей ис-
пользуется компьютерная томография (КТ), которая первоначально была
разработана для медицинской визуализации, но также применяется для
сканирования промышленно произведенных объектов. Эта техника рабо-
тает аналогично АП: путем послойного сканирования собирается инфор-
мация об объекте, затем с помощью программного обеспечения эти слои
собираются вместе и определяются границы поверхности. Границы сосед-
них слоев затем соединяют вместе, чтобы сформировать поверхность. Пре-
имущество технологии КТ заключается в том, что можно получить изоб-
ражение внутренних поверхностей. Высокоэнергетичное рентгеновское из-
лучение также используются в промышленной технологии, чтобы создать
изображения в высоком разрешении в пределах 1 мкм. Другой подход к
оцифровке объектов — технология Capture Geometry Inside [8], которая во
многом подобна реверсивному инжинирингу АП, при котором удаляемые
слой за слоем поперечные сечения детали формируют двумерные изобра-
жения. Очевидно, что этот разрушающий подход к сбору геометрических
параметров нельзя использовать для всех изделий.
АП можно применять для воспроизведения отсканированных пред-
метов, что практически идентично получению 3D факса. Однако более
вероятно, что данные будут изменены или объединены с другими данны-
ми, чтобы сформировать сложные артефакты произвольной формы для
воплощения принципа технологии «за сложность платить не нужно». При-
мером может служить случай, когда отдельные данные (томограммы) па-
циента комбинируются с инженерным дизайном, чтобы сформировать пер-
сонализированный медицинский имплантат. Нечто подобное будет обсуж-
даться более подробно далее.
1.8.2. Компьютерное моделирование
3D CАПР является чрезвычайно ценным ресурсом для проектирования
и разработки продукции. Одним из основных преимуществ проектирова-
ния на основе программного обеспечения является легкость и дешевизна
внесения изменений. Если на протяжении большей части разработки но-
вого изделия мы сможем сохранить проектирование в программируемом
формате, тогда есть гарантия, что любые изменения в конструкции будут
воплощаться в виртуальной модели, а не на физическом уровне в самом
изделии. Чем больше мы знаем о том, как изготавливать изделие еще до
начала производства, тем более качественным будет конечный продукт.
Это также наиболее экономически эффективный способ разработки са-
мого продукта. Исправление обнаруженных нарушений проекта только
после изготовления детали стоит дорого. 3D CАПР может использовать
AП для визуализации и выполнения основных тестов чернового проекти-
рования перед запуском изделия в полномасштабное производство. Тем не
менее чем сложнее проекты и чем больше они зависят от производства, тем
менее вероятно, что мы получим достоверное представление даже с при-
менением всех этих методов. Программное обеспечение 3D CАПР также
широко связано с другими программными пакетами, поскольку в нем час-
то используются такие подходы, как метод конечных элементов (МКЭ)
для расчета физико-механических характеристик конструкции. Все эти
методы обобщенно называются компьютерным моделированием (CAE
Computer-Aided Engineering). Усилия, динамические взаимодействия, на-
пряжения, течения и другие параметры можно рассчитать, чтобы оце-
нить, как будет вести себя изделие при определенных условиях. Такая
программа не может с легкостью прогнозировать точное поведение дета-
ли, поэтому для анализа критических элементов потребуется комбинация
компьютерного моделирования с основанным на АП экспериментальным
анализом. Кроме того, с появлением прямого цифрового производства
(Direct Digital Manufacture), в котором АП используется для изготовления
сразу конечного продукта, растет потребность в инструментах компьютер-
ного моделирования для оценки работоспособности будущих деталей до их
запуска в АП, чтобы мы могли построить эти детали в первый раз как про-
ект для аддитивного производства (Design for Additive Manufacturing (D
for AM)).
1.8.3. Тактильная САПР
Системы 3D САПР, как правило, построены на принципе, согласно кото-
рому проектирование модели начинается с базовых геометрических форм,
которые затем различными способами объединяются в более сложные из-
делия. Такой подход работает очень хорошо для сложных изделий, кото-
рые мы тем не менее хорошо знаем. Однако не может ли он быть так же
эффективен для проектирования более необычных конструкций? Многие
потребительские продукты разрабатываются на основе идей художников
и дизайнеров, а не инженеров. Отметим также, что АП предоставляет
возможность большей свободы выражения мнений. В настоящее время
АП действительно становится популярным инструментом для таких ху-
дожников и скульпторов, как, например, Вирсавия Гроссман [9], кото-
рые используют свободу геометрических форм для создания визуально
захватывающих скульптур. Но сегодня мы сталкиваемся с одной пробле-
мой: некоторые компьютерные средства проектирования сдерживают или
ограничивают творческие процессы, поэтому идет работа по расширению
возможности САПР с целью предоставить больше свободы разработчи-
ку. Тактильно-сенсорное САПР моделирование, как в представленной на
рис. 1.5 экспериментальной системе [10], работает аналогично коммерче-
ски доступной системе моделирования Freeform [11].
Такая система обеспечивает более интуитивно понятную среду проек-
тирования, чем другие стандартные САПР. Эти системы часто использу-
ют роботизированное устройство механорецепторной (сенсорной) обратной
связи под названием Phantom, чтобы обеспечить обратную связь, выра-
женную в терминах усилий, для виртуальной среды моделирования. Объ-
ект можно увидеть на экране, а его восприятие (механорецепцию) транс-
формировать при помощи робота с подключенной программой Phantom
в трехмерном пространстве. Среда моделирования включает в себя так на-
зываемую виртуальную глину(Virtual Clay), которая деформируется под
действием прилагаемого усилия тактильного курсора. Это обеспечивает
механизм для непосредственного взаимодействия с материалом моделиро-
вания подобно тому, как скульптор приложением усилий лепит из реаль-
ной глины нужную ему форму. Результаты использования этой системы
обычно получение более гармоничных и произвольных поверхностей, чем
проектирование сложных изделий с помощью дополнительных инструмен-
тов САПР. Поскольку требования и желания потребителей растут, мы
наблюдаем, как инструменты САПР становятся все более доступными и
популярными в профессиях, не связанных напрямую с проектировани-
ем,— у дизайнеров, скульпторов и даже обычных творческих людей.
1.9. Об этой книге
Уже выпущено достаточно много книг, полностью посвященных аддитив-
ному производству или содержащих разделы с его описанием. Пока, од-
нако, не было ни одной книги, предназначенной для преподавания этой
технологии в университетах на современном уровне. Недавно университе-
ты включили аддитивное производство в различные программы. Объемы
такого включения варьируются от разделов в отдельных модулях до пол-
ноценных курсов для аспирантов. Эта книга направлена на поддержку
этих программ по всестороннему охвату как можно большего количества
аспектов данной технологии. Авторы этой книги были вовлечены в со-
здание программ в своих университетах и решили написать ее, поскольку
прекрасно понимали, что на сегодняшний день нет учебника, который бы
полностью представлял необходимый материал с соответствующей широ-
той и глубиной охвата. Кроме того, мы считаем, что с ростом интереса к
трехмерной печати эта книга сможет также обеспечить всестороннее пони-
мание связанных с ней технологий. Несмотря на рост популярности, уже
стало ясно, что полное понимание всей широты возможностей, предлагае-
мых АП, пока отсутствует.
В начале этой книги обсуждаются общие аспекты АП, а затем по гла-
вам следует подробное описание каждой технологии. Последняя глава по-
священа общим процессам и приложениям. Предполагается, что читатель
уже знаком с технологией 3D твердотельного моделирования САПР и об-
ладает по крайней мере небольшим объемом знаний о проектировании,
разработке и изготовлении изделий. Мы надеемся, что большинство чита-
телей имеют базовые знания по проектированию и дизайну как в целом,
так и отдельных продуктов, а также знания в механике, материаловеде-
нии или технологии машиностроения. Поскольку технология АП также
включает в себя множество электронных компонентов и информационных
технологий, читатели, имеющие багаж знаний в компьютерных приложе-
ниях и мехатронике, также найдут пользу в этой книге.
1.10. Упражнения
1. Найти три определения для быстрого прототипирования, отлича-
ющиеся от определения аддитивного производства, данного в этой
книге.
2. Найти в Интернете различные примеры приложений AП, которые
иллюстрируют использование принципов «форма», «пригодность к
монтажу», «функционал».
3. Какие действия могут быть выполнены на облаке точек с использова-
нием программного обеспечения для реверс-инжиниринга? Чем эти
инструменты отличаются от обычного программного обеспечения 3D
CАПР?
4. Какой термин вам больше нравится для обозначения этой техноло-
гии (АП, быстрое прототипирование изделий произвольной формы,
просто быстрое прототипирование и т.д.) и почему?
5. Создайте список веб-ссылок на видео, показывающие работу различ-
ных технологий АП и технологические цепочки процесса.
6. Составьте список различных характеристик технологий АП для срав-
нения с производством на станках с ЧПУ. В каких случаях АП имеет
преимущество, а в каких лучше использовать станки с ЧПУ?
7. Как работает настольное механорецепторное устройство Phantom и
почему оно принесет больше пользы в создании моделей произволь-
ной формы, чем обычные 3D САПР?
Литература
1. ASTM Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies.
http://www.astm.org/COM MITTEE/F42.htm.
2. Burns M (1993) Automated fabrication: improving productivity in manufacturing.
Prentice Hall, Englewood Cliffs.
3. Wohlers TT (2009) Wohlers report 2009: rapid prototyping & tooling state of the
industry. Annual worldwide progress report. Wohlers Associates, Detroit.
4. Jacobs PF (1995) Stereolithography and other RP and M technologies: from rapid
prototyping to rapid tooling. SME, New York.
5. 3D Systems. http://www.3dsystems.com.
6. Sachs EM, Cima MJ, Williams P, Brancazio D, Cornie J (1992) Three dimensional
printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. J Eng Ind 114(4):
481–488.
7. Geomagic Reverse Engineering software. http://www.geomagic.com.
8. CGI. Capture geometry inside. http://www.cgiinspection.com.
9. Grossman B. http://www.bathsheba.com.
10. Gao Z, Gibson I (2007) A 6 DOF haptic interface and its applications in CAD. Int J
Comput Appl Technol 30(3):163–171.
11. Sensable. http://www.sensable.com
ГЛАВА 2
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация
Следует помнить, что АП развивалось не в отрыве от других техноло-
гий. Например, невозможно представить существование АП без иннова-
ций в таких технологиях, как 3D-графика и программное обеспечение
для компьютерного моделирования и проектирования (Computer-Aided
Design). В этой главе освещаются некоторые ключевые моменты, которые
отмечают развитие технологии аддитивного производства. Мы расска-
жем, как пути развития различных технологий сошлись к тому состо-
янию, из которого они могут быть интегрированы в машины AП. В этой
главе также обсуждаются основные вехи развития технологий АП и
их вклад в расширение спектра приложений для АП. Кроме того, мы
обсудим, как постепенно увеличивается функциональность аддитивного
производства и растет количество приложений уже за рамками первона-
чального предназначения этой технологии изготовления прототипов.
2.1. Введение
Своим происхождением технология аддитивного производства обязана мно-
жеству открытий и инноваций в разнообразных технологических областях.
Как и в случае многих производственных технологий, повышение вычис-
лительной мощности компьютеров и снижение затрат на запоминающие
устройства позволили проводить обработку больших объемов данных, ха-
рактерных для систем автоматизированного проектирования (САПР)
трехмерных моделей, в разумные сроки. В настоящее время мы уже при-
выкли к окружающим нас мощным компьютерам и другим сложным авто-
матизированным машинам, поэтому иногда даже трудно себе представить,
как первопроходцы АП боролись за разработку первых машин для этой
технологии.
В этой главе мы хотим остановиться на некоторых ключевых моментах,
знаменующих ход развития технологии аддитивного производства. Мы
расскажем о направлениях развития всех технологий, комбинация кото-
рых в соответствующий момент позволила им интегрироваться в машины
АП. Здесь мы также обсудим основные этапы становления АП технологий.
Кроме того, мы рассмотрим, как аддитивное производство стало набирать
новый функционал и охватывать все более широкий спектр приложений,
уже далеко выходящий за пределы первоначального предназначения
быстрого изготовления прототипов.
2.2. Компьютеры
Как и многие другие технологии, АП возникло в результате изобретения
компьютера. Тем не менее было мало предпосылок того, что первые ком-
пьютеры, созданные в 1940-х годах (Zuse Z3 [1], ENIAC [2] и EDSAC [3]),
будут способны изменить жизнь таким образом, чтобы создать все то,
что мы наблюдаем сейчас. Такие изобретения, как термоэлектронный кла-
пан, транзистор и микрочип, позволили компьютерам стать быстрее, мень-
ше, дешевле и одновременно повысили их функциональность. Это разви-
тие произошло так быстро, что его не мог предсказать даже Билл Гейтс
в Microsoft, когда в 1981 году заявил, что 640 кб памяти будет достаточно
для любого компьютера под управлением системы Windows. В 1989 го-
ду он признал свою ошибку во время выступления в Клубе информатики
Университета Ватерлоо [4]. Аналогичным образом в 1977 году попал паль-
цем в небо Кен Олсен из Digital Electronics Corp. (DEC), когда во время
своего выступления на заседании Всемирного футуристического общества
сказал, что нет и не будет никаких оснований предполагать, что компью-
теры появятся дома у простых людей [5]. Наверное, это яркое выступление
стало причиной, по которой Олсен вскоре потерял работу.
Одним из ключевых моментов в развитии компьютеров является их
способность выполнять задачи в режиме реального времени. В те первые
дни подготовка, решение и завершение сложных вычислительных задач за-
нимали много часов или даже дней. Это сильно затрудняло повседневное
использование компьютера, и, только когда было продемонстрировано, что
задачи могут быть завершены в режиме реального времени, компьютеры
стали использоваться как предметы обихода, а не только в качестве инстру-
ментов для академических исследований и в большом бизнесе. Это отно-
сится также к способности отображать результаты не только численно, но
и графически. За развитие компьютерной графики мы должны поблаго-
дарить, в частности, и игровую индустрию, которая внедрила множество
инноваций в разработку графических технологий в целях отображения
более подробных и «реалистичных» изображений для улучшения воспри-
ятия от игры.
АП в полной мере прямо и косвенно (в рамках основной технологии) ис-
пользует следующие важные функции компьютерной технологии.
– Вычислительная мощность: часть файлов с данными очень велики
и требуют для обработки соответствующего уровня вычислительной
мощности, это необходимо для манипуляций при настройке машины
и получении данных о слое (поперечном сечении) перед изготовле-
нием изделия. Первым компьютерам было бы очень затруднительно
обрабатывать данные больших файлов САПР.
– Возможности графики: для работы машине АП не требуется мощ-
ный графический движок, за исключением случаев просмотра фай-
лов при позиционировании будущего изделия в виртуальном про-
странстве машины. Тем не менее всем машинам нужен хороший гра-
фический интерфейс пользователя (GUI graphical user interface),
который облегчается настройку, эксплуатацию и обслуживание ма-
шины.
– Управление машиной: технология АП требует точного позициониро-
вания оборудования таким же образом, как это происходит в обра-
батывающем центре с числовым программным управлением (ЧПУ)
(Computer Numerical Controlled (CNC)) или даже в ксероксе или ла-
зерном принтере. Такому оборудованию необходимы контроллеры,
которые принимают информацию от датчиков для определения со-
стояния оборудования и материала, приводы для позиционирования
и других функций вывода. Также нужно выполнять вычислитель-
ные задачи для того, чтобы определить требования к управлению.
Выполнение этих задач управления даже в режиме реального вре-
мени обычно не требует большой по сегодняшним меркам вычис-
лительной мощности. Для работы выделенных функций, таких как
позиционирование моторов, линз и т.д., как правило, нужны отдель-
ные контроллерные модули. Компьютер будет использоваться для
наблюдения за связью с этими контроллерами и передачи данных,
относящиеся к изготовлению изделия.
– Сеть: почти каждый компьютер в наши дни становится средством
для связи с другими компьютерами по всему миру. Файлы для изго-
товления изделия, как правило, разрабатываются на другом компью-
тере, а не на том, что управляет машиной АП во время производства.
В системах прошлого требовалась загрузка данных с диска или лен-
ты. В настоящее время почти все файлы передаются по внутренней
сети, а часто через Интернет.
– Интеграция: по многообразию функций компьютер является цен-
тральным компонентом, который связывает вместе различные про-
цессы. Целью компьютера является коммуникация с другими частя-
ми системы, обработка данных и отправка этих данных из одной
части системы в другую. На рис. 2.1 показано, как упомянутые вы-
ше процессы интегрированы в машины AП.
Первым компьютерным средам проектирования требовалась большая
ЭВМ и мини-компьютеры. К этим компьютерам подключали рабочие стан-
ции, которые обычно строили графики и выполняли функции ввода/выво-
да. Затем компьютеры начали производить сложные вычисления для ма-
нипулирования моделями. Это было дорогое решение, поскольку основные
компоненты — процессор и память — были очень дорогими элементами.
С уменьшением стоимости этих компонентов персональные компьютеры
(ПК) стали широко распространенным инструментом. Первые ПК не были
достаточно мощны, чтобы заменить компьютеры на базе рабочих станций,
выполняющих сложные функции, но их ускоренное развитие позволило
за короткое время разработать дешевые и мощные устройства, которыми
можно было заменить самые дорогие компоненты с точки зрения вычис-
лительной мощности.
Без компьютеров невозможно было бы получить отображения трехмер-
ных изображений. Без 3D-графики не было бы САПР. Без этой функции
цифрового представления трехмерных объектов возможности машин АП
были бы ограничены изготовлением изделий только простейших форм. По-
этому с уверенностью можно сказать, что без современных компьютеров
мы бы не наблюдали развитие и становление аддитивного производства.
2.3. Технология компьютерного моделирования и проектирования
Сегодня каждый студент инженерного факультета должен научиться ис-
пользовать компьютеры для решения многих задач, включая разработку
новых конструкций. Среда САПР позволяет проектировать и большие
здания, и микропроцессоры в наномасштабе. Технологии САПР поддер-
живают данные из разных областей науки и технологии, относящиеся к
определенным типам изделий, в том числе их геометрические, электриче-
ские, тепловые, динамические, статические параметры и функции. САПР
содержит правила, связанные с этими параметрами и функциями, что
позволяет пользователю сосредоточиться на проектировании и функцио-
нальности будущего изделия, не заботясь о его работоспособности. САПР
дает пользователю возможность сосредоточиться на отдельных особенно-
стях большого или сложного изделия, сохраняя целостность данных и
одновременно их упорядочивая, чтобы правильно интегрировать новые
подсистемы с уже имеющимися.
Технология аддитивного производства в основном используется на ко-
нечном этапе машиностроительного производства и 3D твердотельного
моделирования с помощью САПР. Важно понимать, что это только одно
из направлений гораздо большего набора САПР и при этом не все САПР
способны создавать проектную документацию для послойного АП. В на-
стоящее время технология АП фокусируется на воспроизведении геомет-
рической формы, и поэтому лучшими для использования в АП являются
те САПР, которые производят такие формы наиболее точным и эффек-
тивным образом.
В начале САПР были крайне ограничены в возможностях для отобра-
жения информации на дисплеях. Первые системы отображения в редких
случаях были способны в лучшем случае выводить на экран буквенно-циф-
ровой текст. Некоторые первые компьютеры имели специальные устрой-
ства для вывода графической информации отдельно от текстовых команд,
используемых для управления. Тем не менее геометрические формы отоб-
ражались главным образом в векторной форме, выводя на экран каркас
изделия. В силу большой потребности в вычислительной мощности, необ-
ходимой для отображения графики для таких систем, большинство дис-
плеев были монохромными, что сильно затрудняло демонстрацию трех-
мерных геометрических форм на экране без показа эффектов освещения
и затенения.
Развитие САПР не было бы таким быстрым, если бы постоянно не вы-
двигались требования, связанные с ускоренным ростом потребности в сис-
темах автоматизированного производства (CAM — Computer-Aided Manu-
facture). CAM представляет собой канал для преобразования виртуаль-
ных моделей, разработанных в САПР, в физические изделия, которые
мы используем в нашей повседневной жизни. Весьма сомнительно, что
без требований, связанных именно с таким преобразованием виртуального
в реальное, САПР получила бы такое быстрое и широкое развитие. Это,
в свою очередь, подпитывалось и направлялось сопутствующими техно-
логиями производства основных элементов компьютеров — процессоров,
запоминающих устройств и дисплеев. CAM системы производят код для
машин с числовым программным управлением (ЧПУ), по существу, объ-
единяя координатные данные с командами по выбору и запуску режущих
инструментов. Ранние технологии ЧПУ выбирали CAMданные, относящи-
еся к месту обработки основных поверхностей изделия —отверстий, пазов,
полостей и т.д. Затем происходила механическая обработка этих поверх-
ностей на заготовках деталей. Когда станки с ЧПУ доказали свою эффек-
тивность и автоматизированную функциональность, сложность функций
увеличилась. В настоящее время возможности станков простираются на
изготовление весьма сложных, произвольных поверхностей. Тем не менее
существуют два основных ограничения для всех видов механической об-
работки на станках с ЧПУ:
– почти каждую деталь приходится обрабатывать в несколько этапов,
из-за чего часто требуется несколько проходов для удаления матери-
ала и переустановок детали;
– вся обработка зависит от направления подвода режущего инструмен-
та (благодаря чему этот вид производства определяют как 2,5D, а не
полностью 3D). Для такого вида обработки необходима определенная
ориентация обрабатываемой заготовки, которая не всегда возможна
на каждой стадии процесса изготовления.
Обработка на станках с ЧПУ, следовательно, требует программного
обеспечения только для моделирования поверхностей. Все ранние системы
CAM были основаны на моделировании поверхностей с помощью САПР.
Технология АП была первым автоматизированным производственным про-
цессом, для которого действительно требуется 3D твердотельное моде-
лирование с применением САПР. Моделирование полностью замкнутой
поверхности необходимо для получения направляющих координат для AП.
Для этого используются системы моделирования поверхности, но, посколь-
ку поверхности описываются граничными кривыми, достаточно часто воз-
никают затруднения с точным и плавным их соединением.
Даже если зазоры незаметны, полученные модели далеко не просто построить с помощью
АП. В крайнем случае любые неточности в 3D-модели будут перенесены
на изделие в процессе изготовления в AП. В первых приложениях АП час-
то возникали различные трудности с отображением из-за несовершенства
программного обеспечения для моделирования поверхностей.
Поскольку для систем АП просто необходимы точные модели с пол-
ностью замкнутыми поверхностями, предпочтение отдается САПР для
твердотельного моделирования, которые гарантируют представление объ-
ема у всех моделей и, следовательно, по определению все модели будут
иметь полностью замкнутые поверхности. В то время как моделирова-
ние поверхностей может быть использовано для изготовления изделий, не
всегда есть уверенность, что конечная модель будет точно представлена
в виде изделия из твердого материала. Такие модели, как правило, необ-
ходимы для инструментов инженерного компьютерного моделирования
(CAE — Computer-Aided Engineering), таких как метод конечных элемен-
тов (FEA — Finite Element Analysis), но также очень важны для других
процессов CAM.
С большинством САПР теперь можно легко работать на ПК. Это, как
правило, является результатом усовершенствований в области компьютер-
ных технологий, упомянутых ранее, но также стало итогом улучшений
в тех методах, которые используются для представления, манипуляции и
хранения данных в САПР. Большинство САПР в наши дни используют
неоднородный рациональный базисный сплайн (cплайн полиномиальны-
ми кривыми) (NURBS Non-Uniform Rational Basis-Splines) [6]. NURBS
предоставляет отличный способ точно определить кривые линии и поверх-
ности, которые соответствуют внешней оболочке модели САПР. Поскольку
определения модели могут включать в себя поверхности произвольной
формы, а также простые геометрические формы, все они должны учи-
тываться при построении модели, и поэтому представляющие ее сплайны
получаются достаточно сложными, чтобы не увеличивать размер итоговых
файлов и облегчить работу с ними. Сплайнами легко манипулировать для
изменения получившейся формы.
Технология САПР быстро улучшается по следующим направлениям:
– реализм: благодаря эффектам освещения и затенения, трассировки
лучей и другим фотореалистичным методам визуализации становит-
ся возможным генерировать изображения моделей в средах САПР,
которые трудно отличить от реальных фотографий. В некоторых от-
ношениях это снижает требования к визуализации моделей для АП;
– пользовательский интерфейс: для первых САПР требовался ввод
текстовых инструкций в диалоговом окне. Разработка графических
интерфейсов для GUI на основеWindows позволила создать графиче-
ский диалог и даже прямое манипулирование моделями в виртуаль-
ных трехмерных средах. Инструкции выдаются с помощью выпада-
ющих меню и контекстно-связанных систем команд. Чтобы удовле-
творить различные пользовательские предпочтения и стили, часто
одну и ту же инструкцию можно выполнить по-разному. Клавиату-
ры по-прежнему необходимы для ввода конкретных размерностей,
но удобство САПР значительно повысилось. Однако требуется еще
пройти определенный путь, чтобы сделать САПР доступными для
людей без инженерного образования и другой подготовки;
– инженерные оценки: поскольку САПР является неотъемлемой ча-
стью подготовки современного инженера, жизненно важно, чтобы
программное обеспечение включало в себя максимальное количество
информации для инженерных оценок. При твердотельном модели-
ровании с применением САПР можно рассчитать объем и массу мо-
делей, исследовать посадки и зазоры в соответствии с изменениями
допусков, а также экспортировать файлы с данными сетки для мето-
да конечных элементов. Использование этого метода возможно даже
в среде САПР;
– скорость: как упоминалось ранее, использование NURBS способству-
ет оптимизации работы с данными САПР. САПР постоянно оптими-
зируется различными способами, в основном за счет использования
новых разработок аппаратного обеспечения компьютеров;
– точность: если проектирование предполагает высокие допуски для
конструкции, на первый план выходит точность расчетов. Результа-
том сохранения высокой точности становятся высокие требования к
времени обработки и объему запоминающих устройств;
– сложность: все вышеуказанные характеристики могут привести к
созданию крайне сложных систем. Для поставщиков программного
обеспечения достаточно затруднительно включить эти функции, од-
новременно сделав их удобными в использовании и не требующими
для выполнения большой вычислительной мощности;
– простота в эксплуатации: последние разработки в технологии САПР
были сосредоточены на создании системы, доступной широкому диа-
пазону пользователей. Одна из целей создать все возможности
для неподготовленных пользователей проектировать сложные гео-
метрические детали для себя. Сейчас есть современные САПР для
3D твердотельного моделирования, которые работают исключитель-
но в веб-браузере, они обладают возможностями, аналогичными для
рабочих станций десятилетней давности.
Многие производители программного обеспечения САПР сосредоточе-
ны на производстве высокоинтегрированной среды проектирования, кото-
рая позволяет разработчикам параллельно работать в команде над единым
проектом на различных платформах и в разных подразделениях органи-
зации.
Промышленные дизайнеры должны работать с проектными мене-
джерами по продажам и маркетингу, проектировщиками, аналитиками,
инженерами-технологами и представителями многих других подразделе-
ний организации, чтобы внести свой вклад в разработку проекта конечного
продукта. Такие подразделения могут находиться даже в разных регио-
нах мира и в то же время быть частью одной той же организации или
выступать в качестве субподрядчиков. Следовательно, Интернет интегри-
рует эти программные системы, предусмотрев соответствующие меры для
быстрой и точной передачи и защиты интеллектуальной собственности.
Вполне возможно непосредственно манипулировать файлами САПР
для генерации данных по слоям, которые затем будут введены в машину
AП, и это обычно называют прямым слайсингом (direct slicing) (непосред-
ственным разделением на слои) [7]. Тем не менее это означает, что каждая
САПР должна иметь алгоритм прямого слайсинга, который будет совме-
стим с разными типами технологии AП. Иначе каждый поставщик систем
АП должен составить программу для каждой САПР. Оба этих подхода
являются непрактичными. Решение заключается в использовании обще-
го формата, который соответствует технологии. Этот общий формат был
разработан компанией 3D Systems, США, которая стала первой компани-
ей, коммерциализировавшей технологию AП. Именно она назвала формат
файла «STL» после разработки своей технологии стереолитографии (при-
мер которой показан на рис. 2.2).
Формат STL стал общим достоянием, чтобы все производители САПР
получили к нему доступ и интегрировали в свои системы. Эта страте-
гия была успешной, и STL-файлы теперь являются стандартным выводом
почти для всех систем твердотельного моделирования САПР, а также
приняты производителями систем АП [8]. STL использует треугольники
(метод триангуляции) для описания поверхностей, которые будут построе-
ны. Каждый треугольник описывается тремя точками и вектором нормали
к поверхности, направленным кнаружи. Запись STL-файла выглядит сле-
дующим образом:
facet normal –4.470293E–02 7.003503E-01–7.123981E-01
outer loop
vertex –2.812284E + 00 2.298693E + 01 0.000000E + 00
vertex –2.812284E + 00 2.296699E + 01–1.960784E-02
vertex –3.124760E + 00 2.296699E + 01 0.000000E + 00
endloop
endfacet
В будущем требования к технологии САПР будут изменяться парал-
лельно с развитием АП. По мере продвижения ко все более широкой функ-
циональности в изготовлении изделий с использованием АП мы должны
понимать, что САПР должна будет интегрировать в себя правила, связан-
ные с АП. На сегодняшний день акцент был сделан на внешней геометрии.
В будущем, возможно, нам потребуются знания правил функционирова-
ния систем АП, чтобы оптимизировать изготовление изделий на АП ма-
шинах.
2.4. Другие технологии, связанные с АП
Помимо компьютерной технологии, есть ряд других технологий, которые
были разработаны вместе с АП и заслуживают упоминания в этой кни-
ге, так как они внесли свой вклад в дальнейшее совершенствование сис-
тем АП.
2.4.1. Лазеры
Многие из первых систем АП были основаны на лазерной технологии.
Причины заключаются в высокой интенсивности и энергии коллимиро-
ванного пучка лазерного излучения, который контролируемым образом
может очень быстро перемещаться с использованием направленных зер-
кал. Поскольку при АП требуется отверждать или соединять каждый слой
материала избирательным образом, лазеры являются идеальными канди-
датами для использования при условии, что лазерная энергия совместима
с механизмами трансформации материала. Есть два вида лазерной об-
работки, используемой в AП: отверждение и спекание (плавление). При
использовании фотополимерных смол требуется лазерное излучение опре-
деленной частоты, которое вызывает отверждение или вулканизацию жид-
кой смолы. Обычно это лазер в ультрафиолетовом диапазоне, но также
могут быть использованы другие частоты. Для спекания требование к ла-
зерному излучению заключается в переносе достаточного количества теп-
ловой энергии для прохода через слой твердого материала и расплавления
порошка или сплавления листов материала. Для порошковых процессов,
например, ключевым моментом является контролируемое расплавление
материала без избыточного нагревания, чтобы после прекращения подачи
лазерного излучения расплавленный материал быстро затвердевал сно-
ва. В случае резки цель заключается в отделение одной части материала
от другой, что производится в виде лазерной резки. В первых машинах
АП использовались газоразрядные лазеры, чтобы обеспечить необходи-
мую энергию, но многие производители в последнее время перешли на
твердотельные лазеры, которые обладают большей эффективностью, сро-
ком службы и надежностью.
2.4.2. Технологии печати
В последние годы быстро развивается струйная или капельная технология
печати. Улучшения разрешения и снижение цен позволили высококаче-
ственной, часто многоцветной печати стать частью нашей повседневной
жизни. Другими причинами такого высокого качества печати также мож-
но считать совершенствование и надежность систем по подаче материала.
Первоначально цветные чернила имели низкую вязкость и подавались
в печатающие головки при температуре окружающей среды. Теперь можно
генерировать гораздо более высокие давления внутри камеры формиро-
вания капель, поэтому появилась возможность использовать материалы
с гораздо более высокой вязкостью и даже расплавленные материалы.
Это означает, что теперь для печати может использоваться метод оса-
ждения капель, который позволяет применять фотоотверждаемые и рас-
плавленные смолы как связующие для порошковых систем. Поскольку
печатающие головки являются относительно компактными устройствами,
в которых компактно сосредоточено устройства по управлению осажде-
нием капель (как показано на рис. 2.3), стало возможным производство
недорогих машин АП с высокими разрешением и производительностью.
Как и в случае с лазерами, применяемыми для массового производства,
в АП внедряют полномасштабные технологии современной печати.
2.4.3. Программируемые логические контроллеры
Данные о моделях, разработанных с помощью САПР, вводятся в машины
АП в виде больших файлов данных, генерируемых с помощью стандарт-
ных компьютерных технологий. После загрузки в машину AП эти файлы
выстраиваются в последовательности в соответствии с этапами процесса.
Для запуска каждого из них требуются входные сигналы от датчиков и
приводов. Для обеспечения этого процесса и управления машиной часто
лучше всего использовать системы микроконтроллеров, а не микропроцес-
сорные системы. Промышленные системы микроконтроллеров формиру-
ют основу программируемых логических контроллеров (ПЛК, Program-
mable Logic Controllers (PLCs)), которые обеспечивают надежный кон-
троль производственных процессов. Проектирование и изготовление та-
кого промышленного оборудования, как машины АП, значительно упро-
щается благодаря сборке из базовых элементов, которая производится на
основе платформ современных ПЛК для координации и контроля за раз-
личными действиями в ходе процесса изготовления.
2.4.4. Материалы
Ранее технологии АП развивались исходя из материалов, которые уже
были доступны и которые еще разрабатывались, чтобы соответствовать
новым процессам. Тем не менее процессы AП в значительной степени яв-
ляются уникальными и используемые для них исходные материалы далеко
не идеально подходили для этих новых приложений. Например, модели из
первых фотоотверждаемых смол были хрупкими и легко деформирова-
лись. Порошки, используемые в процессах послойного синтеза на основе
лазерного спекания, быстро деградировали1 в машине, поэтому изделия
из большей части используемых материалов получались непрочными. По
мере роста знаний и совершенствования навыков в технологии шла разра-
ботка и новых материалов, специально соответствующих процессам АП.
Материалы подбирались и проектировались в точном соответствии с рабо-
чими параметрами различных процессов, поэтому росло качество изготов-
ленных изделий. В результате изделия получались более точной формы,
имели большую прочность, долговечность, появилась возможность исполь-
зовать даже металлы для технологий АП. В свою очередь, установка на
создание новых материалов в точном соответствии с производственны-
ми процессами позволила создавать материалы для высокотемпературной
обработки, уменьшить размер изделий и их деталей и повысить произво-
дительность самих машин.
2.4.5. Обработка с использованием ЧПУ
Одна из причин появления технологии AП заключалась в том, что станки
с числовым программным управлением (ЧПУ) не в состоянии обрабаты-
вать детали с нужным качеством в требуемых временных рамках. Станки
с ЧПУ работали медленно, были громоздкими и тяжело управляемыми.
Технологию АП довольно легко настроить на быстрое производство, одна-
ко она страдала от низкой точности изготовления и ограниченных возмож-
ностей имеющихся материалов. По мере усовершенствования технологий
АП производители оборудования с ЧПУ поняли, что у них появился до-
стойный конкурент. Станки с ЧПУ значительно усовершенствовались к
моменту уверенного становления технологий АП. Вполне возможно, раз-
витие высокоскоростной обработки на станках с ЧПУ пошло бы по другому
пути, если бы, как утверждают некоторые специалисты, предполагаемая
угроза конкуренции с технологиями AП не заставила производителей обо-
рудования с ЧПУ переосмыслить их конструкцию. Развитие гибридных
технологий прототипирования, таких как Space Puzzle Molding (формова-
ние объемными пазлами), которые применяют как высокоскоростную ма-
шинную обработку, так и аддитивные методы для изготовления больших,
сложных и прочных литейных форм и элементов (рис. 2.4 [9]), демонстри-
руют взаимозаменяемость двух технологий для использования преиму-
ществ обеих. Для деталей с правильной геометрической формой, которая
позволяет обработку при одном позиционировании, станки с ЧПУ — часто
самый быстрый и эффективный метод с точки зрения затрат. Для деталей
со сложной геометрией или деталей, в ходе обработки которых большая
часть общего объема обрабатываемого материала уходит в стружку, АП
предоставляется более быстрым и экономичным способом, чем обработка
на станках с ЧПУ.
2.5. Использование слоев
Ключевым принципом изготовления изделий в АП является использова-
ние слоев как конечных двухмерных сечений трехмерной модели. Почти
в каждой технологии АП происходит наращивание изделия путем добавле-
ния новых слоев материала, поэтому все коммерческие системы работают
именно таким образом, в первую очередь из-за упрощения изготовления
трехмерных объектов. Использование для представления сложного трех-
мерного объекта двухмерных сечений было широко распространено во
многих приложениях, помимо АП. Наиболее очевидным примером являет-
ся составление географических карт с использованием изолиний, соединя-
ющих точки на постоянной высоте над уровнем моря, чтобы представлять
холмы и другие географические рельефы. Эти контурные линии можно
представить в виде пластин, которые при наложении друг на друга фор-
мируют представление о ландшафте географических регионов. Точные
разрывы между этими двухмерными сечениями представить достаточно
затруднительно, поэтому их аппроксимируют или интерполируют в виде
непрерывных кривых, соединяющих эти слои. Такие методы также могут
быть использованы для трехмерного представления других физических
свойств, например в виде изобар или изотерм на картах погоды.
Архитекторы также использовали такие методы, чтобы представлять
ландшафты реальных или проектируемых районов, например, как это ис-
пользовала архитектурная фирма в своем проекте, показанном на рис. 2.5
[10]. Концепция особенно логична для строителей зданий, которые также
применяют аддитивный подход, хотя и не используют слои. Посмотрите,
как были построены пирамиды в Египте и в Южной Америке. Вне зави-
симости от метода изготовления строительных блоков, ясно, что для их
возведения применялся многоуровневый подход, т.е. добавление материа-
ла по мере строительства.