Как это работает: Технологии создания моделей

03/09/2013, по материалам F1 Racing

По ходу сезона команды разрабатывают бесчисленное множество деталей и их прототипов. Данный процесс требует особых методов производства, о которых в интервью британскому F1 Racing рассказал глава технического департамента Williams Пэт Симондс...

По аналогии со многими инженерными понятиями термин «быстрое создание прототипа» является общим. Он относится к различным техникам производства физических моделей посредством процесса постепенного наслоения. В данном процессе структура создается последовательно, слой за слоем, пока вся деталь не обретет желаемую форму. Каждый слой имеет толщину 0,1 мм, и точность здесь имеет особое значение. Хотя принципы постепенного наслоения аналогичны для разных систем, сам механизм несколько отличается. В Формуле 1 используются три техники: моделирование методом наплавления, селективное лазерное спекание и стереолитография.

Наименее затратным и простым выглядит механизм моделирования методом наплавления. Пластичный материал нагревается до образования однородной массы, которая, в свою очередь, подается через специальное сопло, движущееся под управлением компьютера. Подобно тому, как повар украшает торт, сопло выпускает тонкую струйку пластика, которая образует мгновенно затвердевающий тонкий слой. Очень похоже на процесс печати, поэтому такая технология часто называется 3D-печатью.

Следующая техника – выборочное выпекание лазером. Она напоминает наплавление, однако в данном случае порошковый пластик не наносится слоями, а сразу размещен в специальной «ванне». Лазер движется над «ванной» и активируется в тех местах, где пластик должен затвердеть. Лазер поднимает температуру порошка чуть выше точки плавления – этого достаточно, чтобы он прикипел к пластиковой основе. Как только слой твердеет, ванна опускается – на толщину следующего слоя – сверху напыляют еще один слой порошка, и лазер снова выпекает форму.

Последний вариант – стереолитография. Принципиальное отличие данного метода от двух предыдущих заключается в том, что в ванной используется специальная смола (фотополимер). В исходном состоянии она жидкая, а твердеет под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения. Источником такого излучения служит лазер, который выводит профиль детали. Когда луч лазера попадает на смолу, она затвердевает, образуется слой, который соединяется со слоем ниже. Затем поддон опускается на десятую долю миллиметра – опять же, на толщину слоя – на него снова заливается смола, и процесс повторяется.

Процесс, на самом деле, не такой уж скоротечный. Создание каждого слоя требует времени, а оно зависит от того, насколько долго был включен лазер: иными словами, какой объем материала обрабатывался на каждой стадии. Как правило, команды создают несколько деталей из одной большой заготовки, чтобы максимально эффективно использовать и оборудование, и материалы. В том, что процесс занимает более 12 часов, нет ничего удивительного, однако это все равно намного быстрее иных способов создания прототипов.

Основным «потребителем» компонентов, произведенных с помощью описанных выше методов, является аэродинамическая труба, и команды вряд ли смогли бы проводить испытания в режиме 24 часа по семь дней в неделю, если бы пользовались традиционными методами моделирования. Для масштабных моделей используется нейлон, для противоударных структур – например, дуг безопасности – металлокерамика, хотя потом ей все равно требуется дополнительное усиление.

В последние годы все больше деталей создаются с использованием техники быстрого создания прототипа. Это стало возможным благодаря появлению итальянского материала Windform – он достаточно жесткий, чтобы из него можно было создавать многочисленные "плавнички" и воздуховоды.

Оборудование для стереолитографии стоит около 300.000 фунтов и расходует смолы на 100.000 фунтов в год. Большие команды имеют сразу несколько таких станков, которые работают по 24 часа в сутки, и обходится это недешево, но вот станки для наплавления – особенно с низким разрешением – вполне доступны. Издержки снижаются еще и потому, что данные станки не требуют постоянного программирования – любой проект может быть разработан на компьютере в 3D и сохранен в файл, а станок этот файл прочитает. Это проще и дешевле, чем процесс программирования станков с числовым программным управлением.