Технология быстрого прототипирования FDM

Стрельченко М.С.

Технологии быстрого прототипирования (RapidPrototyping - RP) быстровнедряются в промышленность, дизайн, архитектуру, медицину, образование - практически во все области деятельности человека, использующего компьютер, и стали частью процесса материального производства - будь то серийная продукция или уникальные (единичные) изделия. Современный конструктор не представляет для себя создание новой продукции вне цепочки CAD/CAM/CAE, внутри которой важнейшее место занимает технология RP. Причина здесь одна: сокращение времени создания нового продукта в несколько раз, а часто - в десятки раз.

Главной причиной, тормозящей выпуск новой, особенно высокотехнологичной, сложной продукции, является НИОКР (точнее - продолжительность НИОКР). Нужно не только спроектировать изделие, но и провести весь комплекс исследовательских, опытно-конструкторских, экспериментальных работ, технологическую подготовку производства, наконец, сертификацию, маркетинг, создать сервисную структуру и т.д.  Технология RPрешает задачу сокращения сроков НИОКР, и особенно ОКР, в десятки раз!  Несмотря на расходы, связанные с приобретением специального оборудования, все крупные западные компании имеют у себя на вооружении не только отдельные установки быстрого прототипирования, но и целые комплексы – центры RP. Они оснащаются различными машинами разных фирм, специализирующихся на отдельных направлениях данных технологий.

Технология  RP - это очень объемное понятие, включающее в себя всё многообразие средств  получения прототипа изделия из CAD-модели.

Безусловным лидером по числу проданных установок за последние годы  является компания Stratasys. Во всех устройствах этой компании, при создании трехмерных моделей,  применяется технология  FDM.  

FDM  является технологией, получившей широкое распространение при производстве прототипов. Эта технология позволяет быстро изготавливать прототипы методом послойной укладки расплавленной полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD.

Технология FDM это единственный метод создания прототипов, использующий термопластики промышленного уровня, которые могут выдерживать высокую температуру, воздействие вредных химических веществ, стерилизацию и интенсивные механические нагрузки.

Послойное построение позволяет получать детали со сложной геометрией, которую нельзя получить традиционными методами производства. И поскольку FDM технология использует те же материалы - термопластики, что и традиционные методы - она может строить  детали, по прочности не уступающие деталям, полученным традиционными методами.

Математическая модель передается в формате STL в специальное программное обеспечение (ПО) Insight,  под управлением которого работают установки FDM. Программа оптимально ориентирует модель, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Для толстостенных моделей возможно разреженное заполнение внутренних объемов, что экономит модельный материал и сокращает время создания модели. Имеется уникальная опция создания модели из материала поддержки. Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки.

Сгенерированные данные передаются на установку, и начинается процесс послойного создания модели.

Построение деталей на установках FDM происходит следующим образом: термопластичный моделирующий материал в форме тонкой нити, диаметром 0,07 дюйма (1,78 мм) подаётся в экструзионнуюголовку, которая перемещается по X и Y направлениям над платформой и выкладывает на нее расплавленную нить полимера, вычерчивает текущие сечения модели. Температура головки и скорость вращения подающих роликов настраивается так, чтобы в каждый момент времени наносилось одинаковое количество материала. В качестве поддержки, в паре используется дополнительная фильера и дополнительная катушка с материалом поддержки.

Когда создание сечения закончено, платформа опускается на толщину слоя, после чего процесс повторяется. После построения модели поддержки либо растворяются водой, либо удаляются механическим путем (обламываются).

Инсталляция FDM-системы исключительно проста - нужно всего лишь вставить вилку в розетку. Систему можно использовать в любом офисном помещении, поскольку не требуется никаких специальных условий работы (вентиляция, дополнительная инфраструктура или специальные разрешения). Все поставляется в виде законченного решения, которое позволяет конструкторскому коллективу быстрее проектировать, проверять и изготавливать свои изделия.

Технология FDM нашла свое применение для изготовления быстрых прототипов с целью визуализации концептуальных изделий, проверки их формы, собираемости и функционирования. На рынке компания Stratasys представляет свою технологию модельным рядом установок разбитых на три серии (группы): IdeaSeries, DesignSeries, ProductionSeries.

3D-принтер Mojo	3D-принтер  uPrint Se	3D-принтерu Print Se Plus

3D принтеры серии Idea

3D -принтеры Design Series            

3D-принтер  Dimension BST 1200	3D-принтер   Dimension SST 1200	3D-принтерu Dimension Elite

3D принтеры серии  Design

3D -принтеры Production Series

FORTUS 250mc	FORTUS 380mc	FORTUS 450mc	FORTUS 900mc

Семейство трехмерных принтеров и установки FORTUSимеют модульную конструкцию, что позволяет пользователям наращивать возможности системы по мере роста сложности изготавливаемых прототипов. Базовая система любой модели включает все необходимые компоненты для изготовления моделей и прототипов из материала одного типа (обычно из ABS-пластика). Существуют дополнительные модули, позволяющие расширять технические параметры и функциональные возможности системы,  использовать другие типы моделирующих материалов.

3D принтеры серии  Production

 МАТЕРИАЛЫ

Когда специалистам, работающим в области быстрого прототипирования, предлагают назвать наиболее важные параметры используемой технологии, на первом месте, как правило, оказываются свойства материала модели. Физические характеристики изготавливаемых моделей-прототипов являются, пожалуй, основным критерием при выборе метода быстрого изготовления прототипа: они определяют качество модели, а также возможность или невозможность использования прототипа для решения тех или иных задач.

Обычно свойства прототипа сравнивают со свойствами такой же детали, но отлитой в пресс-форме. Многие пользователи отмечают, что моделирующие материалы для FDM являются одним из главных преимуществ этой технологии. Это ABS-пластики, поликарбонат (РС), PC-ABS, полиэфиримид (ULTEM 9085)  и полифенилсульфон (PPSF/PPSU).

ABS-пластик

Моделирующий материал ABS-пластик используется на всех установках Stratasys, причем из него производится около 90% всех прототипов FDM. По мнению пользователей, модели из ABS обладают 60-80% прочности деталей из того же материала, но полученных в пресс-формах. Остальные же свойства, такие как температурная и химическая стойкость, близки или одинаковы. Этот факт делает ABS весьма привлекательным моделирующим материалом в плане проверки функциональных качеств прототипов. А то, что ABS используется в производстве конечных продуктов, несомненно, является важным преимуществом для инженерного прототипирования.

Nylon 12

Детали из материала Nylon 12, являются самыми прочными в отрасли и имеют на 100–300 % лучшие показатели удлинения при разрыве и предела усталости, чем изготовленные другими методами аддитивной технологии. Нейлон обеспечивает лучшее послойное нанесение вдоль вертикальной оси и самую высокую ударную вязкость любого термопластичного материала FDM, а также высокую химическую устойчивость.

Nylon12 применяется в  производственных системах 3D-печати Fortus 900mc, Fortus 450mc и Fortus 380mc.

Поликарбонат (PC)

Поликарбонат — впервые он был применен компанией Stratasys на установке Titan. Поликарбонат имеет более высокий предел прочности на растяжение, лучшую жесткость и гибкость по сравнению с ABS. Кроме того, модели из РС характеризуются большей стабильностью формы, более высоким порогом тепловой деформации и долговечностью. Некоторые пользователи убеждены, что прототип из этого материала несет в себе прочностные характеристики деталей из ABS, полученных в пресс-форме.

Другие материалы

В установках Stratasys также применяются и другие моделирующие материалы. Материалы ABSi, ABS-M30i, PC-ISO, ULTEM 9085, PPSF/PPSU, ULTEM 1010 являются биологически совместимыми материалами (сертификат ISO 10993), идеальными материалами для медицинских целей, упаковочный материал для фармацевтической и пищевой промышленности. Детали из этих материалов стерилизуются оксидом этилена, гамма-излучением. Модели из полифенилсульфон можно стерилизовать в автоклаве, они выдерживают химическую и радиационную стерилизацию.

Кроме того, модельные материалы полиэфиримид (ULTEM 9085) и полифенилсульфон (PPSF), сочетают в себе еще большую по сравнению с ABS и PC прочность, жесткость, стойкость к высоким температурам и химическим веществам.

В отличие от материалов, используемых в других технологиях быстрого изготовления прототипов, свойства модельных материалов применяемых в технологии FDM не меняются под воздействием внешних факторов или с течением времени. Как и детали, полученные в пресс-формах, модели из этих материалов сохраняют прочность, жесткость и цвет практически в любой окружающей среде.

Цвет

ABSplus предлагает самый широкий спектр цветов, доступных с FDM технологией (слоновая кость, белый, черный, темно-серый, красный, синий, оливковый зеленый, нектарин и флуоресцентный желтый), а также возможность для пользовательских цветов.

Помимо самого распространенного белого цвета пластик ABS-M30 представлен шестью цветами: слоновая кость, синим,  красным,  черным и серым. Кроме того, ABSi может поставляться бесцветным прозрачным, а также прозрачным красным или желтым, что удобно для прототипов, например, автомобильных фонарей.

Стабильность свойств

 Свойства моделирующих материалов FDM сходны со свойствами термопластиков, включая сопротивление воздействию окружающей среды и химических веществ (в том числе кислот, бензина и масел). Прототипы из ABS сохраняют прочность при нагреве до 93 °С, из РС — до 125 °С, а из PPSF — до 189 °С.

Важной отличительной особенностью моделирующих материалов FDM  является их сопротивляемость воздействию воды. В технологиях, где применяются фотополимеры, весьма чувствительные к влажности. Под воздействием воды или влаги могут измениться их прочностные свойства и точность размеров: адсорбируя влагу, они становятся мягче, а тенденция к деформации и разбуханию не может не отразиться на геометрической точности модели.

Прочность и невосприимчивость ABS к влаге позволили изготовить этот прототип и проверить его функциональность

Компания Stratasys производит и поставляет все моделирующие материалы, применяемые в технологии FDM.

Линейка ABS пластиков  для FDM

ABS-ESD7–Для приложений, где статический заряд может привести к повреждению компонентов, снизить производительность или привести к взрыву, (FDM) технология предлагает ABS-ESD7 статического рассеиваемого термопластика.  Инженеры и дизайнеры могут использовать детали для создания приспособлений для сборки электронных компонентов. Функциональные прототипы для хранения и подачи топлива, изделия, где статический заряд не допустим.

ABSplusпредлагает самый широкий спектр цветов доступных с FDM технологией, а также возможность для пользовательских цветов. Детали созданные из данного материала  являются механически прочным и стабильным во времени.  ABSplus работает с растворимыми материалами поддержки. Удаление поддержек для сложных форм и в глубоких полостях не требуют дополнительных усилий. Он является идеальным материалом для концептуального изготовления прототипов, проверки дизайна и прямого цифрового производства.

ABSi – является идеальным материалом для сверки дизайна, функционального изготовления прототипов. Строит полупрозрачные прототипы  янтарного, красного и естественного цвета. Этот материал дает возможность строить полупрозрачные компоненты, полезный в области автомобильного дизайна. Прозрачные части также позволяет контролировать движение жидкости, например, в прототипах медицинских устройств. Основные сферы применения – медицинская и автомобильная промышленность.

ABS-M30 –  имеет высокие механические свойства, которые делают его идеальным для концептуальных моделей и для деталей с умеренными требованиями, включая функциональные прототипы, приспособления, приборы, изготовления оснастки и конечному использованию частей. Он работает с растворимым материалами поддержки, чтобы сделать ваш  процесс разработки более эффективным.

На установках FORTUS из материала ABS-M30 производятся детали, которые прочнее, ровнее и имеют лучший внешний вид.

ABS-M30i– является биологически совместимым материалом 3D печати, детали из этого материала можно подвергнуть гамма облучению или стерилизовать. Этот термопластичный материал  имеет хорошую механическую прочность и соответствует требованиям ISO 10993. Хорошо  подходит для медицинской промышленности, для производства  хирургических моделей, инструментов и приспособлений непосредственно из данных САПР,  и для промышленности по упаковке пищевых продуктов.

ASAПрототипы из ASA имеют отличный внешний вид с хорошей детализацией, хорошие механические свойства, устойчивы к воздействию ультрафиолетового излучения. Это делает ASA идеальным выбором для выращивания функциональных прототипов и даже конечных деталей. Материал легко использовать, он востребован при частых испытаниях и разработке. Термопластик ASA может применяться во всех производительных 3D-принтерах Stratasys серии Production.

 Линейка специализированных пластиков для FDM

Nylon 12 - идеально подходит для сфер применения, требующих высокую усталостную прочность, включая многократно защелкивающиеся элементы и фрикционные вставки. В сфере товаров широкого потребления Нейлон 12 может использоваться для создания прочных прототипов защелкивающихся панелей и противоударных компонентов.

PC(поликарбонат) - настоящий промышленный термопластик, широко используется в автомобильной, аэрокосмической  и многих других сферах. Использование PC дает точность, прочность и стабильность. Из этого пластика изготавливаются детали, которые на 5-60 процентов прочнее, чем детали, которые изготавливались на предыдущих установках FDM. Он также имеет лучшие механические свойства по сравнению с ABS и некоторыми другими термопластиками.

PC-ABS(поликарбонат  +  ABS) является одним из наиболее широко используемых промышленных термопластиков. PC-ABS предлагает необходимые основные свойства обоих материалов – превосходные механические свойства и термостойкость PC и превосходные функциональные качества ABS. Смесь PC-ABS обычно используется в автомобильной, электронной и телекоммуникационной промышленности.

PC-ISO(поликарбонат – ISO) -  промышленный термопластик. Смесь PC-ISO в основном используется в упаковке пищевых продуктов и медикаментов, а также при производстве медицинских устройств. Это связано с прочностью материала и медицинской совместимостью.

ULTEM 9085 - материал с очень высокой прочностью и жесткостью, огнестоек, имеет низкое дымовыделение при контакте с открытым пламенем, что делает возможным применение этого материала в воздушном пассажирском транспорте. Один из самых химически стойких материалов.

PPSF/PPSU (полифенилсульфон) – материал с самой лучшей термической и химической стойкостью из всех материалов Stratasys. Идеально подходит для аэрокосмической и автомобильной промышленности и медицинских целей. Детали имеют прекрасные механические свойства, имеют высокую точность по размерам. Пользователи могут стерилизовать PPSF с помощью парового автоклава, плазменной стерилизации, химической стерилизации и радиационной стерилизации.

ULTEM 1010 Выдающаяся прочность и термостойкость. ULTEM 1010 идеален для оснащения и прототипирования в автомобилестроении, аэрокосмической, медицинской и пищевой промышленности. Материал сертифицирован как биосовместимый и совместимый с пищевыми продуктами. Благодаря этому вы сможете изготовить уникальные инструменты для пищевой промышленности и надежные медицинские приборы.

ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТОТИПОВ

Точность деталей FDM зависит от нескольких факторов: от точности позиционирования укладывающей головки, от калибровки машины, навыков оператора, позиционирования детали в рабочем пространстве установки, усадки модельного материала и т.д.

Точность построения модели по высоте зависит от толщины слоя, из-за округления его значения (в большую либо в меньшую сторону) до величины, ближайшей к толщине полного слоя), что, впрочем, характерно для всех систем быстрого прототипирования.  Точность  моделей-прототипов, изготовленных  на установках фирмы  Stratasys,  достигает        ± 0,127 мм, что сравнимо с точностью пластмассовых деталей, изготовленных в обычных инжекционных пресс-формах.

Модели, изготовленные на установке Fortus 900msимеет точность 0,076 мм. В установке Fortus 900ms применяются шарико-винтовые привода, во всех остальных устройствах  фирмы  Stratasys  используются зубчато-ременные привода.

В целом точность изготовления прототипов по технологии FDM не ниже или даже выше, чем у технологий SLA и PolyJet, и выгодно отличается от технологии SLS.

Следует не путать разрешающую способность с точностью. Термин точность характеризует, как близко изготовленная деталь соответствует допуску в  пределах указанного размерного диапазона.  Разрешающая способность имеет отношение к малым размерам, которые может воспроизвести система. Встречается ошибочное использование признаков  разрешающей способности – таких как толщина слоя – как неосторожное обозначение точности

Стабильность размеров также является одним из главных преимуществ моделей, изготовленных по технологии FDM. Размеры модели по мере снижения ее температуры до комнатной стабилизируются и после извлечения модели из установки больше не меняются с течением времени и под воздействием окружающей среды.

ЧИСТОТА ПОВЕРХНОСТИ

Единственное ограничение технологии FDM, до недавнего времени, признаваемое как пользователями, так и компанией Stratasys, — это чистота поверхности. Из-за экструзии расплавленного пластика поверхность получается несколько грубой. Качество поверхности в новых моделях Fortusи программного обеспечения, улучшено, за счет уменьшения ширины укладываемого расплава материала и толщины слоя, но все равно, на поверхностях модели второго и выше порядков, ориентированных   горизонтально, видны следы от проходов экструзионной головки, выстраивающей слои.

Сегодня есть метод окончательной обработки деталей FDM. При данном методе, на поверхность детали наносится тонкий слой растворителя. Растворитель заставляет пластмассу растворяться на выступах, и заполнять впадины между слоями на поверхности детали.Процесс обработки поверхности изменяет размеры

детали не больше, чем на 0.023 мм. Это означает, что изменения в точности из-за растворения материала является незначительным.

Для достижения оптимального качества поверхностей будущего прототипа его математическую модель ориентируют (средствами ПО) так, чтобы поверхности, требующие большей чистоты, располагались вертикально, а менее значимые с точки зрения требований к качеству — горизонтально

Многие пользователи считают, что чистота поверхности прототипов FDM вполне достаточна для проверки формы, собираемости и функционирования. Если же прототип предназначен для изготовления оснастки с последующим получением отливок, модель необходимо обработать дополнительно методом указанным выше.

Прочность моделирующих материалов ABS и РС позволяет легко выполнять последующую обработку без всякого риска повредить модель — прототипы FDM можно фрезеровать, точить, сверлить, нарезать в них резьбу. Для улучшения поверхности можно также использовать растворители, шпатлевки (например, эпоксидные) и краски

На изображении представлено: деталь после изготовления (сверху), деталь после обработки растворителем (в центре), деталь после пескоструйной  обработки (внизу).

РАЗМЕРЫ ДЕТАЛИ

Подходящая установка FDM из модельного ряда выбирается исходя из того, какие именно прототипы необходимо изготавливать. Рабочие камеры установок Stratasys от 127х127х127 мм (Mojo) до 914,4х609,6х914,4 мм (установка FORTUS 900mc)..

 Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны установки, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивать). Одним из  достоинств ABS является то, что модели из него можно склеивать недорогим универсальным «секундным» клеем и затем функционально использовать. Кроме того, для соединения деталей из ABS можно применять ультразвуковую сварку. В других RP-технологиях (SLA и PolyJet) такая возможность отсутствует.

Технологически минимальный размер элемента детали ограничен шириной двух дорожек (это объясняется замкнутой траекторией построения наружной и внутренней поверхности) и составляет 0,4 мм для слоев толщиной 0,127мм. Ширину дорожки, предлагаемую по умолчанию, можно изменить в большую или меньшую сторону.

Эта толщина, хотя и несколько больше, чем у SLA и PolyJet, тем не менее сопоставим с размером минимальных пригодных для эксплуатации элементов, построенных по этим технологиям. Так, диапазон технологии SLA составляет от 0,08 мм (для установки Viper si2),  до 0,25 мм (для всех остальных), а PolyJet — от 0,038 мм. Однако далеко не всегда требуется изготовление прототипов с элементами меньше 0,4 мм (разумеется, кроме совсем небольших моделей). Если принять во внимание свойства моделирующих материалов, то реальный минимальный размер элементов прототипов, изготовленных по технологиям SLA и PolyJet, будет равен 0,5 мм.

В то же время возможности технологии FDM в построении мелких деталей несколько превосходят технологию SLS, у которой диапазон минимальных размеров элементов прототипа составляет 0,60-0,76 мм.

Итак, повторюсь, минимальный размер функционального элемента прототипа FDM (из ABS или РС) — 0,4-0,6 мм.

МАТЕРИАЛ ПОДДЕРЖКИ

В технологии FDM материал поддержки необходим для формирования основания, на котором затем выстраивается модель, а также для опоры нависающих элементов. В качестве материала поддержки используется два решения SST, и BST (SST - soluble support technology - растворимая поддержка, BST - breakaway support technology - разрушаемая поддержка).

Это значит, что после процесса построения материал поддержки SST можно растворить в специальном химическом составе. Модель, изготовленная с применением этой технологии, называющейся WaterWorks, остается гладкой и чистой, без рисок и царапин, с сохранением мельчайших деталей и не нуждается в дополнительной обработке.

Благодаря тому, что материал поддержки SST может вымываться водным раствором, проблемы его удаления с поверхности мелких деталей, а также из глубоких впадин и даже внутренних полостей полностью отсутствуют.

Материал поддержки BST необходимо удалять (срывать и срезать) механическим способом. Технология BST - грязная и трудоёмкая. Есть риск повредить модель при очистке и нет возможности полной очистки сложных геометрий.

При литье в вакууме  замысловатых и сложных деталей из полиуретана, возникает ситуация, когда вставка не может быть извлечена из  отливки. Примеры: гофрированный и изогнутый шланг, корпус  клапана, бак для воды, бутылка, разветвленные  структуры, и т.д.

Для решения проблемы предлагается изготовить вставку из растворимого материала поддержки, которая, благодаря технологии WaterWorks,будет разрушенапосле того, как изделие из полиуретана  будет извлечено из формы.

Технологии  FDM  и WaterWorks  предоставляют неограниченные возможности в моделировании деталей со сложными внутренними полостями.

Технология WaterWorks обладает еще одним уникальным свойством — благодаря вымываемому материалу поддержки стало возможным построение за один прием сборных моделей, в которые могут входить даже движущиеся части, с полным обеспечением

функциональных свойств изделия.  Например, блок зубчатых колес, показанный выше в этом разделе, полностью функционален, построен как единое целое и не нуждается в ручной доработке именно благодаря технологии WaterWorks.

Такую же сборку можно изготовить и при помощи других технологий, например SLS или PolyJet, но при этом, естественно, возникнет необходимость в удалении остатков материала, находящегося между компонентами, — для очистки зубчатых колес и валов, полученных при помощи технологии SLS, понадобится долгая, кропотливая ручная работа. Благодаря технологии WaterWorks достаточно несколько часов для растворения материала поддержки, и вам не нужно будет тратить силы и время на сборку, и подгонку деталей.

ВРЕМЯ ПОСТРОЕНИЯ ДЕТАЛИ

Время построения детали по технологии FDM напрямую зависит от количества расходуемого модельного материала, геометрии модели, скорости его укладки и сложности структуры поддержки. В свою очередь, интенсивность укладки зависит от размера фильеры, ширины дорожки и толщины слоя. Чем меньше фильера и толщина слоя, тем выше качество поверхности и больше времени необходимо для построения прототипа.

Не влияет на время изготовления прототипа по технологии FDM тип моделирующего материала, тогда как в технологиях SLA и SLS время построения в зависимости от материала может увеличиться на 20% и более.

С целью уменьшения времени построения прототипа, предусмотрена функция "Неплотное заполнение (Sparse Fill)", с помощью которой твердой и плотной создается лишь оболочка, а внутренний объем — менее плотный, с расстоянием между соседними дорожками до10-12мм и с изменением их направления (на 90°) в каждом слое. Большие воздушные промежутки уменьшают время строительства детали на 22 процента и уменьшают количество материала на 40 процентов.

На качестве модели такое неплотное заполнение не отражается, зато уменьшается количество материала, а следовательно, сокращается время построения детали.

Применение стиля поддержки  SMARTсводит к минимуму количество используемого материала поддержки, уменьшает время изготовления, а также улучшает удаление поддержек для многих деталей.Ключевой характеристикой SMART опор является изменение формы области поддержки. Поскольку поддержки убывают от нижней стороны элемента детали к основанию поддержек, области поддержек сокращаются и переходят в более простую форму, что уменьшает количество используемого материала и время построения.

Говоря об общем времени построения модели, также необходимо заметить, что установкам FDM не требуется много времени для разогрева до рабочей температуры и охлаждения детали.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ FDM

Концептуальное моделирование

Многие пользователи установок FDM рассматривают эту технологию как дизайнерскую. Иначе говоря, она является инструментом, тесно связанным с САПР и управляемым при помощи САПР, для визуализации и анализа дизайнерских идей на ранних стадиях разработки, позволяя значительно сократить временной разрыв между концепциями и их воплощением в жизнь.

Технология FDM сочетает в себе ряд преимуществ, для построения моделей с целью визуализации. Сильными сторонами технологии FDM являются точность, свойства материала, цветовая гамма и отсутствие необходимости в ручной доработке. Хотя прочность и жесткость материала не являются основными требованиями для концептуального моделирования, эти качества прототипов весьма желательны — ведь непрочные модели имеют свойство ломаться в самый неподходящий момент (например, на презентации у потенциального заказчика).

Прототипы FDM полезны как для использования внутри компании, позволяя руководству отделу продаж и всем сотрудникам ознакомиться с новым изделием до его запуска в производство, так и для маркетинговых исследований. В работе с потенциальными клиентами с целью заинтересовать их новой продукцией до ее появления на рынке.

Проверка собираемости и функциональности

Другая сфера применения прототипов — проверка собираемости и функционирования изделия — выдвигает ряд требований к физическим характеристикам моделей. Прототипы FDM  широко применяются для проверки собираемости и функционирования разрабатываемых изделий, так как данная технология не требует значительных компромиссов в выборе материала, в отличие от других методов.

Применяя FDM, Ducati сократил на 20 месяцев процесс разработки двигателя. Двигатель был проектирован и собран за 8 месяцев. Предыдущий двигатель - за 28 месяцев, при этом, большинство деталей  было изготовлено на стороне.

Группа дизайна построила двигатель опытного образца, составленный почти полностью из компонентов поликарбоната.

Компания Hyundai использует установки Fortus для выращивания таких компонентов, как приборные панели, вентиляционные каналы, рычаги переключения передач, модули внешнего интерфейса и  стабилизаторы поперечной устойчивости.

Прототипы из ABS и поликарбоната обладают той необходимой и присущей этим материалам жесткостью и прочностью, которая позволяет не только подвергать их механической обработке, но и собирать функциональные конструкции.

Использование в литейном производстве

Кроме использования установок FDM непосредственно для создания прототипов разрабатываемых изделий, изготовленные на них модели из ABS могут применяться в литейном производстве  — после несложной доработки поверхности. Например, известен положительный опыт их использования в качестве мастер-моделей для литья в песчаные формы. Чтобы заменить механически изготовленную модель, прототип должно противостоять химическим элементам в песке, быть стойким трению  и  противостоять давлению, которое применяется, чтобы уплотнить песок. В отличие от многих других технологий изготовления прототипов, материалы FDM  ABS, PC (поликарбонат), смесь PC-ABS, Ultem 9085 и PPSF/PPSU (полифенилсульфон) отвечают этим требованиям.

Другой пример — литье по выплавляемым моделям, которое является одним из наиболее эффективных способов изготовления деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях — единственным методом литья (например, когда в деталях имеются поднутрения, тонкие стенки или у них сложная конфигурация). Благодаря свойствам материала, модели из ABS могут полностью выжигаться из керамической оболочки с минимальной зольностью, сохраняя при этом все преимущества традиционного литья по выплавляемым моделям.

Быстрое производство

Технологии быстрого изготовления моделей подогрели интерес к производству продукции небольшими, экономически выгодными партиями (под этим может подразумеваться и одна единица товара). Эта область применения требует, чтобы деталь соответствовала функциональным характеристикам по многим параметрам. Говоря о точности метода построения и о характеристиках моделирующих материалов, можно смело утверждать, что FDM является одной из немногих технологий, которая оптимально соответствуют этой сфере применения.

Опыт многих пользователей показывает: производство партии из нескольких деталей методом FDM эффективно в плане финансовых и временных затрат. Ведь для быстрого производства решающим фактором является время изготовления детали.

Изготовление инструмента, оснастки и приспособлений

Быстрое прототипирование стало стандартной практикой в разработке изделий. На заводе BMW, отдел  зажимных приспособлений и креплений,  использует установки Fortus, чтобы строить ручной инструмент для сборки автомобилей. Чтобы улучшать производительность, комфорт на рабочем месте, завод  использует FDM, чтобы улучшить  эргономику и простоту в применении переносных устройств сборки. Это позволяет инженерам создавать конфигурации, которые улучшают сборку автомобиля, уменьшают вес, и улучшают баланс.

Фирма Magtek обнаружила, что производство зажимных приспособлений и креплений системой Fortus  дешевле, чем механически обработанные. Сбережения были настолько существенны, что Magtek окупил систему Fortus менее чем за три месяца.

Модульная система крепления - универсальная альтернатива специализированному креплению. В то время как большинство модульных креплений создается из стандартных компонентов, заказанная система делается по технологии FDM на установке Fortus. Они обычно применяются для: 

Для этих применений модульная система экономит время и уменьшает стоимость.

Заменяя машинное изготовление рабочей оснастки технологией FDM, изготовленные на системах Fortusформы позволили отформовать опытные образцы бутылок для напитков,  почти производственного качества,  меньше чем за пять дней.

Большинство инструментов для формования выполняется из механически обработанного алюминия. Однако, низкое давление и температура формования облегчает использование оснастки, созданной по технологии FDM из материалов ABS, PC и (PPSF/PPSU).  Хотя стойкость инструмента ниже  алюминиевого, эти три материала, которые доступны в процессе FDM, идеальны для создания прототипов и кратковременного производства. В зависимости от материала Fortus, используемого для инструмента и термопласта, используемого для детали, жизнь инструмента может колебаться от 100 до 1 000  формований.

Изготовленные по технологии FDM формы великолепно  зарекомендовали себя   при  изготовлении изделий из папье-маше. Формы для изделий из  папье-маше выдерживают 10 000 - 30 000 циклов с  незначительным износом.

Где применяются установки для быстрого прототипирования фирмы Stratasys Inc.?

Установки для быстрого изготовления моделей-прототипов фирмы Stratasys Inc. широко используются ведущими мировыми производителями в автомобильной, авиационной, медицинской, радиоэлектронной промышленности, производителями бытовой техники, помогая значительно сократить время, необходимое для обновления модельного ряда продукции и обеспечивая успех в конкуренции.

Активными пользователями в промышленности за рубежом являются: BMW, Boeing, DisneyCorp., Harley-Davidson, HewlettPackard, Honda, IBM, LockheedMartin, MitsubishiDigitalElectronics, NASA, Toshiba, Toyota, Xerox и многие другие.