Пилотный проект «Учебный, научно-исследовательский и производственный центр быстрого прототипирования-RP»

Добринский Е.С. / Подсобляев Д.С., ООО «ИФ АБ Универсал»

УДК 378.09

В рамках ежегодной единственной в России Международной специализированной выставки «Формы. Пресс-формы. Штампы» (ROSMOULD) учёные и конструкторы форм, пресс-форм, штампов, материаловеды объединяются в специальные площадки: Салон «Быстрое прототипирование и изготовление» и «Кампус (университетский городок). Инновации от ВУЗов».

Синергетический эффект этого выставочного мероприятия привёл к созданию пилотного проекта учебного Центра быстрого прототипирования для подготовки специалистов в этой области.

В последние годы ведущие предприятия, объединения, научные центры России приобрели высокотехнологичное оборудование и технологии быстрого прототипирования и подготовки производства для реализации новых, подлинно революционных методов создания и ускоренной подготовки производства новых изделий автомобилестроения, авиационнокосмической, специальной и других отраслей промышленности.

Для справки: Особенность процесса быстрого прототипирования (Rapid Prototyping-RP): послойное «выращивание» физических моделей различных объектов (от ювелирного изделия, ТНП до автомобиля, узлов самолёта, космического объекта и деталей к ним) на основе компьютерной 3D-модели без применения какой-либо оснастки.

Использование прототипа позволяет оценить внешний вид детали, эргономику, проверить конструкцию, произвести сборку и необходимое тестирование (технологичность конструкции), изготовить пробную и малую серию изделий.

Преимущества прототипирования: высокая скорость, точность, сокращение (в разы) сроков и затрат на подготовку производства.

На сегодняшний день всё острее стоит проблема подготовки квалифицированных кадров для таких центров. Именно поэтому крайне актуальна в России программа оснащения ведущих технических и технологических ВУЗов учебными центрами быстрого прототипирования для подготовки специалистов в этой области.

Такие Центры должны, наряду с обучением студентов новым современным технологиям, осуществлять исследовательские и инновационные проекты, а также выполнять коммерческие заказы и работы.

Сейчас в России ведётся активная работа по созданию сети Национальных исследовательских технологических университетов (НИТУ), Межвузовских образовательных центров на базе ведущих учебных университетов, а также Кластерных Университетов и дистанционного обучения.

В настоящее время свыше 45 технических и технологических ВУЗов, ВУЗов транспорта, а также ряд Университетов естественно-научного и гуманитарного профиля ведут подготовку бакалавров, магистров и специалистов, имея лицензии или заключения учебно-методического объединения на право ведения образовательной деятельности в области создания, ускоренной подготовки производства и обслуживания новой техники. В связи с этим учебные, научно-исследовательские и производственные Центры быстрого прототипирования могут сыграть существенную роль в подготовке квалифицированных кадров.

Компания ООО «Инженерная фирма АБ Универсал», представляющая в России ряд ведущих мировых компаний в области технологий быстрого прототипирования и подготовки производства, разработала концепцию комплексного пилотного проекта «под ключ» «Учебный, научно-исследовательский и производственный Центр быстрого прототипирования изделий автомобиле– и машиностроения».

Типовая структура Центра включает два блока: Учебный и Научноисследовательский и производственный.

В состав учебного блока входят следующие типовые системы и специальное оборудование:

• Программное обеспечение

Рекомендуется апробированная в России система трёхмерного проектирования TopSolid, производства компании Missler Software (Франция).

Линейка программных продуктов фирмы включает следующие решения:

– TopSolid Design — интегрированное решение для создания CAD моделей и чертежей;

– TopSolid Cam — интегрированное САЕ решение для станков с ЧПУ и ОЦ;

– TopSolid Mold — интегрированное решение для создания и разработки пресс-форм;

– TopSolid Electrode — интегрированное решение для проектирования электродов на станках ЭФО и ЭХО;

– TopSolid Progress — интегрированное решение для проектирования и разработки штампов;

– TopSolid PunchCut — интегрированное решение для создания управляющих программ ЧПУ для вырубки, лазерной и плазменной резки и резки водой;

– TopSolid Wire — интегрированное решение для электроэрозионной резки проволочным электродом (2, 4 оси);

– TopSolid Castor — интегрированное решение для кинематического анализа и анализа методом конечных элементов (FEM-анализ).

В состав линейки программных продуктов входят также отдельные модули системы: управление данными проекта; оперативное управление производством; измерение на трёхкоординатных измерительных машинах ЧПУ (КИМ); проектирование изделий из дерева (мебель, деревянные конструкции и др.), а также обширные библиотеки стандартных деталей, агрегатов и инструмента.

• Установка быстрого прототипирования

Для учебных задач ВУЗов рекомендуется 3D принтер Alaris 30 фирмы Objet Geometries.

Этот настольный трёхмерный принтер обеспечивает: толщину слоя 28 мкм, высокую разрешающую способность, гладкие поверхности и чёткую детализацию (табл. 1).


Научно-исследовательский и Производственный блоки рекомендуется оснащать следующим оборудованием:

Система трёхмерного проектирования TopSolid фирмы Missler Software (Франция).

• Установки быстрого прототипирования производственного уровня семейства 3D принтеров серии Eden или многокомпонентной печати Connex фирмы Objet Geometries

Это оборудование обеспечивает: толщину слоя от 16 мкм; высокую разрешающую способность, чёткую детализацию и гладкие поверхности; широкий спектр материалов, включая эластичные и изготовление деталей одновременно из нескольких различных материалов с заранее заданными расчётными свойствами (табл. 2).

Таблица 2. Техническая характеристика установок серии Eden научно-производственного уровня фирмы Objet Geometries.


Следует отметить, что решения фирмы Objet Geometries широко используют многие мировые корпорации, работающие в области авиа– и автомобилестроения, машиностроения, производства ТНП, медицины и в других отраслях промышленности.

• Установки изготовления деталей из полиамидов, полистирола, PEEK

Включают оборудование лазерного спекания порошковых материалов EOSINT серии Р фирмы EOS GmbH (Германия) (табл. 3).


Комплект оборудования обеспечивает:

– высокую точность и качество прототипов;

– широкий спектр материалов на базе полиамидов, полистирола и PEEK с температурной стойкостью до 385°С (табл. 4);


– отсутствие поддержек и возможность получения выжигаемых моделей.

• Комплекс литья в вакууме в силиконовые формы включает оборудование фирмы MK Technology GmbH (Германия)

Данный комплекс позволяет получать опытную партию деталей из двухкомпонентных полиуретанов фирмы Axson (Франция) либо воска методом литья в силиконовые формы в вакууме.

Метод позволяет за достаточно короткое время (1-5 дней) получить несколько десятков изделий с полной имитацией всех свойств конструкционных материалов без изготовления традиционной технологической оснастки.

Комплекс включает в себя вакуумный шкаф, печи и пр. Различные модификации позволяют получать отливки от 1,4 кг и размерами 450x470x400 мм до 12,0 кг и размерами 2680х1000х680 мм

• Станки с ЧПУ I-mes для обработки алюминия, дерева, латуни, меди, а также модельных и вспененных пластиков фирмы ISEL Automation KG (Германия)

Компания производит серии ICP; ICV; EUROMOLD; FLATCOM; GFV/GFY/ GPY; SFY/SPY. Эти станки отличаются размерами рабочей зоны, профилем (алюминий или сталь), материалом стола, приводами, скоростью подачи и пр. Также возможны исполнения станков на заказ.


В качестве примера приведена техническая характеристика станков с ЧПУ серии FLATCOM (табл. 5) со следующими конструктивнотехнологическими особенностями:

– серия построена из алюминиевого профиля, усиленного стальными вставками;

– беззазорные прецизионные стальные направляющие;

– стальные защищённые ШВП с шагом 5 мм;

– сервопривод подач постоянного тока;

– стойка с ЧПУ класса PC/NC на базе Windows XP с графическим интерфейсом оператора и усовершенствованным математическим обеспечением.

• Обрабатывающий центр с ЧПУ фирмы Mazak (Япония) для обработки металлов

Фирма Mazak является мировым лидером по производству металлорежущих станков и обрабатывающих центров. Эти центры отличают высокая точность, стабильность, долговечность работы. Фирма выпускает широкий спектр серий станков с ЧПУ — многоцелевые станки, токарные станки с ЧПУ, станки вертикальной и горизонтальной компоновки, станки для лазерной резки. Кроме того, фирма занимается разработкой собственно программного обеспечение для управления производством и ГПС.

• Комплекс для точного литья металлов

Включает машины для точного литья серии RP и ряд вспомогательного оборудования для создания гипсовых форм и печей фирмы Sсhultheiss GmbH (Германия).

Комплект оборудования обеспечивает:

– получение отливок весом до 54 кг за несколько часов;

– возможность литья в керамические оболочки, гипсовые формы;

– высокое качество литья, обеспечиваемое плавкой и заливкой под вакуумом и последующим поддавливанием инертным газом;

– возможность литья сталей, включая жаропрочные, всех цветных металлов: алюминия, магния, цинка, латуни, бронзы и других сплавов;

– минимальные затраты на подготовку производства с полной автоматизацией и возможностью оптимизации процесса литья. Характеристики младших серий RP950 и RP1000 приведены в табл. 6.


• Оборудование для прямого получения металлических изделий

Рекомендуется оснащение Центра установками лазерного сплавления порошковых материалов EOSINT M270 фирмы EOS GmbH (табл. 7).


Установки обеспечивают:

– получение полнофункциональных металлических деталей с высокой точностью и гладкой поверхностью, любой сложности в кратчайшие сроки исключительно по компьютерной модели;

– широкий спектр порошков из стандартных металлов без связующих, включая различные стали, жаропрочные сплавы, титан, алюминиевые сплавы (табл. 8);


– сплавление в среде инертного газа.

Оцифровка моделей и изделий. Контроль геометрических параметров

Основой метрологического обеспечения Центра является контактная либо оптическая система на базе координатно-измерительного оборудования (руки) моделей Baces 3D фирмы Friul ROBOT (Италия).

С помощью этого инструментария обеспечивается контроль линейных, диаметральных и угловых изделий, а также измерения сложных 3D объектов, которые невозможно измерить традиционными способами. Координатно-измерительная рука Baces 3D успешно интегрируется с САD/САМ системой TopSolid.


В таблице 9 приведены технические характеристики продуктовой линейки контактного координатноизмерительного оборудования Baces 3D standing arm.

Особенностью трёхмерного лазерного сканера Baces 3D Scanner Laser, базируемого на конструктиве координатно-измерительной руки, и предназначенного для получения трёхмерных математических моделей объектов (реверс-инжиниринг), являются его высокие технические параметры:

– скорость измерения — более 2000 точек в секунду;

– повторяемость 25 мкм;

– дистанция сканирования — 100-200 мм;

– частота и полоса сканирования — соответственно 40 кадров в секунду и 50 мм.

Вся поверхность детали сканируется за 5-30 минут. При этом окончательный результат представляет «облако» из 1-3 млн. точек, что даёт возможность с высокой точностью определить даже мелкие конструктивные элементы. Полученные математические модели деталей позволяют оперативно производить контроль качества и наладку оборудования, улучшать геометрию изделий.

Области применения Учебного Центра быстрого прототипирования

Разработанная матричная система функционирования пилотного проекта в МГТУ «Московский автомеханический институт» (МГТУ «МАМИ») и Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) подтвердила его востребованность при организации учебно-исследовательского процесса по большинству тематических направлений профильных кафедр.

Возможные области применения Центра применительно к конкретным условиям и специфике деятельности факультетов и кафедр ВУЗов:

Факультеты и кафедры «Автомобили и тракторы, энергомашиностроение и приборостроение»:

– моделирование, дизайн и эргономика концептуальной и инновационной техники, тюнинговое конструирование и макетирование;

– конструкторские и функциональные прототипы, физические модели, аэродинамические и гидродинамические исследования, САПР и оцифровка;

– отработка на технологичность и собираемость, доводка процессов, макеты и прототипы для проверки прочности и полей напряжения силовых узлов.

Факультеты и кафедры «Механикотехнологический, Конструкторскотехнологический»:

– моделирование сложных узлов технологического оборудования, оснастки и инструмента;

– макеты и мастер-модели литейных деталей, художественное и прецизионное литьё, пресс-формы литья металлов и пластмасс;

– мастер-модели для обработки давлением, макеты кузовов, кабин.

Факультет «Автоматизация и управление»:

– CAD/CAE/CAM, САПР;

– программное обеспечение для построения файлов;

– системы оптической оцифровки и измерения сложных профилей;

– проведение обратного инжиниринга (воссоздание техдокументации на изготовление изделия и его частей).

Междисциплинарные кафедры и структуры:

– технологические материалы для быстрого прототипирования с использованием наноматериалов, полимерных композиций, композиционных материалов;

– моделирование концептуальных моделей спортивных и спецмашин, модернизация узлов и агрегатов (в рамках функционирования СКБ и инженерных Центров);

– повышение квалификации и переподготовка ИТР, учёных и преподавателей (в рамках функционирования ИПК).

Вместо заключения

Придя на смену традиционным методам получения физических моделей и подготовки производства будущих конкурентоспособных изделий, системы быстрого прототипирования произвели подлинную революцию.

Очевидно, что учить студентов, осуществлять инновационную и коммерческую деятельность в ВУЗах нужно на современном оборудовании, преимущественно в Учебных Центрах быстрого прототипирования.

Подробную информацию о структуре и технических возможностях систем и оборудования Учебного Центра можно получить на сайтах www.abuniversal.ru, www.objet.ru, www.eosab.ru, www.schulthiess.ru, www.mktechnology.ru