TEHNICI DE SCANARE I PROTOTIPARE RAPID PENTRU PIESE INJECTATE
DIN MATERIALE PLASTICE 3.1 Tehnici de scanare 3Dn cadrul tehnicilor
de RE un rol aparte revine tehnicilor de scanare i a celor de
prototipare rapid chiar dac o procedur de RE nu presupune
obligatoriu realizarea fizic a prototipului prin RE. n cele ce
urmeaz se prezint specificul i elementele eseniale ale celor dou
tehnici (respectiv a echipamentelor aferente) care vor fi utilizate
n cadrul cercetrilor efectuate. 3.1.1 Digitizarea 3D Scanarea
produsului, de asemenea cunoscut ca digitizare sau digitizare 3D,
este un proces care utilizeaz un palpator pentru a capta forma
obiectelor 3D i pentru a le recrea ntr-un spaiu de lucru virtual.
Datele sunt colectate sub form de puncte i fiierul rezultat este
numit nor de puncte. Traseul parcurs n vederea digitizrii este
prezentat n figura 3.1.
Fig.3.1 Tehnici de digitizare pentru geometrii 3D i generarea
punctelor [FER 01], [SOK 06]
Care este utilitatea digitizrii Procesul de digitizare capteaz
geometria, curbarea suprafeelor compuse i caracteristicile care
sunt dificil de msurat utiliznd tehnici tradiionale de msurare.
Care sunt limitele digitizrii Pn nu demult, digitizarea era limitat
de viteza de deplasare a capului de scanat. Alegerea corect a
sistemului de palpare depinde de tipul piesei ce se scaneaz i de
bugetul
41
alocat pentru achiziionarea sistemului de scanat. Cele mai des
ntlnite sisteme sunt cele prin contact sau LASER.[ SCA 06] Alte
metode de colectare a datelor precum secionarea fizic, scanarea
distructiv, fotogrametria, raze X, scanarea cu tomografie
computerizat i scanarea cu rezonan magnetic sunt de asemenea
disponibile. Ce tipuri de materiale pot fi digitizate Materialele
tipice care pot fi digitizate includ: piatra, ceramica, sticla,
metalul, lemnul, plasticul, cauciucul i lutul. Care sunt
rezultatele comunicate Datele care sunt colectate pot fi
transformate n nor de puncte sau utilizate pentru : 1.RE i pot fi
oferite ca un model CAD 3D; 2.Prototipare rapid dup ce au fost
pregtite ntr-un format STL, STEP sau IGES; 3.Inspecie a produselor
pentru a fi comparate cu un model CAD existent i utilizate pentru a
crea un grafic color al erorilor. Tehnologia pe care este bazat
procesul 1.Lumina este proiectat pe obiect (n cazul tehnologiilor
ce folosesc lumina); 2.Obiectul reflect lumina care este apoi
colectat de un senzor digital; 3.Utiliznd ecuaii algebrice
coordonata spaial 3D (X, Y, Z) a punctului de pe suprafa este
calculat; 4.Locaia punctului n sistemul de coordonate este stocat
ca parte a unui nor de puncte ce reprezint piesa fizic; 5.Milioane
de puncte sunt colectate n acest fel pn cnd ntreaga suprafa a
piesei sau piesa a fost digitizat; 6.Datele digitale (numite
generic nor de puncte sunt folosite pentru RE, rapid prototyping
sau inspecia produsului).[ LAS 07] Chiar dac sunt destinate
copierii sau controlului geometric, sau mai degrab realizrii
modelelor geometrice virtuale sau realizrii produselor, se disting
2 grupe de tehnologii : cu sau fr contact (fig.3.2) Contactul se
refer la palpare de control sau la recopiere identic a suprafeelor,
n timp ce tehnologiile fr contact se dezvolt din ce n ce mai mult n
domenii de aplicaii unde evoluiile tehnice sunt rapide.[ ACQ
97]
42
Fig.3.2 Tehnologii de digitizare 3D [ACQ 97]
3.1.2 Impactul tehnologiei scanrii 3D asupra dezvoltrii
produsului Pentru a ndeplini cerinele actuale ale produciei
globale, companiile se concentreaz asupra metodelor lor, adoptnd
noi tehnici i cutnd noi metode de a-i eficientiza producia i
costurile. Printre recentele descoperiri tehnologice, exist un real
interes n scanarea laser, care este i rapid i uor disponibil. [LEE
01] Companiile caut tehnica de scanare ca un potenial instrument
pentru creterea productivitii i pentru rezolvarea unor chestiuni n
legtur cu nevoia de a crea un fiier 3D digital pentru un obiect
acolo unde acesta nu a existat nainte. Scannd o piesa 3D i trimind
aceast scanare unor programe de software sau prototyping ofer nu
numai avantajul reducerii timpului necesar acestei sarcini, dar i
economii. Reproducerea unui obiect prin proiectarea traditional CAD
i apoi introducerea n calculator este dificil, i de obicei,
rezultatul nu se potrivete cu originalul. Mai mult de din companii
depind de sistemele vizuale pentru a-i ajuta s-i realizeze designul
produselor. Aceast nou43
tehnologie, ngduie firmelor mari i mici s-i realizeze anumite
probleme legate de computerizare, probleme care sunt extrem de
importante n ceea ce privete latura lor competitiv. Scanarea laser
poate oferi o diferen msurabil, pentru o calitate mrit i pentru
accelerarea timpului necesar producerii lor, n timp ce costurile
noilor produse se reduc considerabil. Scanarea laser este realizat
utiliznd un dispozitiv laser care colecteaz un ir de date. Cea mai
comun metod pentru achiziia unui ir de date este triangulaia optic.
irul de date este produs prin plasarea unei valori pe o reea
regulat provenit de pe o suprafa a obiectului. Apoi prin conectarea
elementelor triangulare cu cei mai apropiai vecini este creat o
imagine. n general senzori 1D sau 2D sunt micai liniar de-a lungul
obiectului sau circular n jurul su. Cum acetia nu dau suficiente
informaii pentru a reconstrui ntregul obiect ce trebuie scanat,
trebuiesc fcute mai multe treceri din orientri diferite. Sunt
necesari algoritmi speciali pentru a transforma un ir de imagini
multiple ntr-o singur descriere a suprafeei. Dei aceast tehnologie
a fost folosit de peste 20 de ani, recenta descoperire a senzorilor
de imagine stabili, precum CCD i fotodiodele cu efect lateral, au
mrit viteza i precizia sa.[CUR 97] Exist diferite tipuri de scanere
care realizeaz acest lucru: diferenele primare se gsesc n structura
iluminatului, dimensiunea senzorului (un aranjament liniar de CCD),
i metodele de scanare (mutarea obiectului sau mutarea scanerului).
Unul dintre beneficiile cele mai importante ale scanrii 3D este
mrirea vitezei cu care poate fi reprodus un prototip. Metodele
tradiionale (msurare cu ubler, micrometru), cer ca obiectul s fie
msurat i redesenat ntr-un program CAD. Acest lucru ia mult timp,
formele organice fiind aproape imposibil de modelat prin utilizarea
acestei metode. Scanarea laser este cea mai bun atunci cnd avem
de-a face cu asemenea forme. [LI 01] Adesea, timpul necesar pn la
vinderea produselor poate decide evoluia noului produs. Este mult
mai uor de a prezice viitorul cnd acesta este la cteva sptmni
distan dect la cteva luni. n multe cazuri timpul rezultat poate
permite unui proiect de fabricare s nceap mai trziu. Aceasta nseamn
c companiile au timpul necesar de a lucra cu clienii lor mai mult
timp n procesul de concepie. Detaliile pot fi bine cercetate i
necesitile clientului nelese nainte de etapa de producie. Procesul
de scanare i posteditare poate avea loc n doar 4-5 ore. Acest tip
de economisire a timpului presupune c companiile au abilitatea de a
rspunde rapid schimbrilor pe pia. i pentru c tehnologia laser de
scanare este relativ rapid ea este n general mai ieftin dect alte
tipuri de scanare. S-au dezvoltat scanere care digitizeaz rapid
corpul uman. Un alt avantaj pentru productori, const in faptul c n
multe cazuri codul G poate fi creat pentru frezarea CNC direct din
date scanate sau dintr-un fiier STL fr a include etapa producerii
unui model cu suprafee NURB.[BRA 05] Aceasta44
nseamn c un prototip poate fi fcut i aprobat, scanat, urmat apoi
de realizarea matriei care poate fi fcut uor i rapid, toate acestea
ntr-o singur zi. Datele scanate pot fi translatate oricror formate
de fiier : DXF, OBJ, 3D Studio Max, IGES, ASCII i STL. Verificarea
produselor este un alt exemplu al beneficiilor scanrii. Dup ce un
produs a fost realizat, el poate fi scanat i datele rezultate
comparate cu modelele geometrice CAD. Deviaiile fa de modelul
geometric iniial pot fi determinate precis. O alta utilizare pentru
scanare, este inspecia periodic a unor piese, pentru a analiza ct
de apropiat este produsul fa de original. Aceasta ngduie un control
al calitii mbuntit i ajut la detectarea greelilor din procesul de
fabricare. Un alt avantaj care nu este att de evident, dar care
poate avea un mare efect asupra unei companii, este c odat ce
obiectul se afl n calculator ideile complexe pot fi aplicate uor i
precis. n ziua de azi procesele de fabricaie se desfoar n mai multe
filiale a unei companii din diferite locaii de pe glob. Clientul i
procesul de design se pot afla ntr-un loc n timp ce fabricarea se
desfoar n altul. Efectul sinergetic de a avea mai muli oameni
colabornd la dezvoltarea unei idei ajut la realizarea scopului
designerului i procesului de fabricare. Odat ce un prototip a fost
scanat, ingineria, analiza, controlul calitii i alte funcii care de
obicei aveau loc consecutiv pot avea loc n mod concurent nainte de
a trimite respectivul produs spre fabricare. Toate prile implicate
n proiect pot lucra din acelai fiier digital. Rezultatul este un
ciclu de dezvoltare micorat care mbuntete performanele produsului i
o mai mare flexibilitate la fiecare nivel. n ceea ce privete aceast
tehnologie, pentru utilizarea ei n industria de consum, este
important de tiut modul n care este adunat informaia i care sunt
avantajele i limitele ei. Exist mai multe variabile care afecteaz
laserul i implicit calitatea informaiei. Reflectana suprafeei,
culoarea obiectului, degajrile, deschiderile nguste i muchiile
ascuite pot fi dificil de scanat. [COS 05b] Alte lucruri de luat n
considerare, sunt plasarea obiectului n relaie cu scanerul i
experiena operatorului. Aceste consideraii trebuie luate n seam
mpreun cu echipamentul adecvat i experiena operatorului. Experiena
operatorului este un factor critic la scanarea cu laser. Operatorul
trebuie sa urmreasc anumite etape i s aib capacitatea de a prezice
cum va reaciona laserul. Scanrile individuale trebuiesc fcute cu
grij nainte de obinerea unor date acceptabile i de nlturare a
datelor neacceptabile. i operatorul trebuie s aib o idee clar
despre felul n care funcioneaz laserul. Distana de la obiect la
scaner i culoarea obiectului pot afecta laserul.[LAS 07]
45
3.1.3 Digitizarea i aplicaiile industriale De mai bine de 20 de
ani termenul de digitizare 3D a artat lumii posibilitile de
concepie virtual, simulare sau reverse engineering. Numeroi
cercettori au avansat, mai mult sau mai puin spre inteligenta
artificial, permindu-ne astfel regsirea reflexelor umane pe
instrumentele noastre, acum familiare, care sunt sistemele
informatice. Pe acest teren numeroase tehnologii cu o mai mare sau
mai sczut precizie, flexibilitate sau rapiditate converg spre un
singur obiectiv : achiziia i modelarea 3D. O definiie simplificat
precizeaz c achiziia se realizeaz printr-o interfa material, cu
ajutorul palpatoarelor cu senzori, i modelarea printr-o interfa
soft cu ajutorul algoritmilor.[PRI 00] Digitizarea sau numerizarea
3D consta n recuperarea dintr-un mediu informatic a unei imagini
numerice a unui obiect. n aceste zile, 5 mari familii de aplicaii
se disting n procedeele de digitizare-numerizare :
reverse-engineering, destinat micorrii timpilor de concepie asupra
sistemelor CAD cnd se folosesc machete; n acest caz, prelucrarea
norului de puncte obinut trebuie integrat ntr-o faz de reconstrucie
a suprafeelor prin intermediul unor softuri speciale;
metrologie-control-calitate, pentru msurarea precis a pieselor
omogene cu forme complexe cu dimensiuni foarte variabile: controlul
pe linia de fabricaie, n scopul selectrii sau stpnirii statistice a
unui proces, pentru corelarea anumitor parametrii a lanului de
fabricaie (fig.3.3);
Fig.3.3 Metrologie-control-calitate: interaciuni
biomedical, pentru adaptarea protezelor naintea interveniilor
sau n cadrul tratamentelor estetice, dar totodat i pentru
caracterizarea volumic a organelor plecnd de la ecografie,
scanare,etc; digitizarea, nainte sau dup prototiparea rapid a
sistemelor de copiere prin prelucrare pe maini-unelte cu comand
numeric;46
-
cinematografie i animaie video (imagini virtuale).
3.1.4 Tipuri de palpatoare Pe plan tehnic, majoritatea
instrumentele de digitizare a formelor folosesc principii
elementare de trigonometrie, triangulaie pentru determinarea
coordonatelor unui punct n spaiu. Astzi, pentru achiziionarea
punctelor de pe o suprafa, exist mai multe tipuri de palpatori de
digitizare. Palpatorii se mpart n dou categorii: palpatori cu
contact; palpatori fr contact.
3.1.4.1 Structura i principiul de funcionare al unui palpator cu
contact Palpatorul este constituit dintr-o parte fix legat de
carterul palpatorului, o parte mobil i un arc, aa cum se arat i n
figura 3.4. Partea fix cuprinde o buc n care sunt trei perechi de
bile poziionate la 1200 i legate printr-un circuit electric. Partea
mobil cuprinde un palpator montat pe un tripod ale crui brae sunt
cilindrii. Cum aceti cilindrii sunt aezai pe perechile de bile,
legtura dintre partea mobil i cea fix este o legtur ncastrat
izostatic. Ea este meninut de ctre arc. Motivul izostatismului
acestei legturi const n faptul c dac un efort de contact se exercit
asupra bilei de palpare, eforturile rezistente pe cele 6 puncte de
sprijin variaz rapid pn la desprinderea unuia dintre punctele de
sprijin. Circuitul electric trecnd prin 6 puncte de sprijin montate
n serie este astfel deschis i interfaa este capabil s detecteze
aceast deschidere printr-o cretere a impedanei circuitului electric
(fig.3.4). Atunci cnd efortul de contact dintre bil i suprafaa
palpat este suprimat, repunerea n poziie a parii mobile n raport cu
partea fix beneficiaz de o repetabilitate excelent a crei eroare
indus este neglijabil vis a vis de alte cauze ce produc erori.
Acest lucru este adevrat atunci cnd palpatorul este n stare bun,
adic atunci cnd suprafeele de contact sfer-cilindru nu au fost
deteriorate datorit unui oc. [LAS 07] n fig.3.5 este prezentat
sistemul de palpare.
47
Fig.3.4 Structura unui palpator [REN 04]
Fig.3.5 Sistemul de palpare [REN 04]
Palpatori cu contact : palpator mecanic punct cu punct; palpator
mecanic analogic. Senzorii cu contact sunt standard pe mainile de
msurat tipice. n ceea ce privete abilitatea de a msura
caracteristici geometrice 3D pentru localizare, mrime i form,
tehnologia cu senzor cu contact este dovedit viabil de-a lungul
unui numr mare de aplicaii metrologice. Multe fabricri sunt mai
confortabile cu tehnologia cu senzori cu contact deoarece este
foarte asemntoare msurrii. i abilitile msurrii cu contact avanseaz
continuu. Palpatori fr contact: palpator laser; palpator optic.
Senzorii cu laser noncontact i cei vizuali s-au dezvoltat ca i
alternativ pentru nlocuirea celor cu contact, unde contactul fizic
nu este posibil n cazul suprafeelor fine sau finisate delicat,
superfinisate sau cu asperiti mari i cele cu muchii ascuite.
Senzorii cu laser au de asemenea posibilitatea de a msura suprafee
finisate. Sistemele cu camera video sunt folosite n cazurile n care
ceilali senzori nu pot fi folosii, precum48
msurarea razelor microscopice cum ar fi gurile cu diametre mai
mici de 1 mm care pot fi uor deformate elastic sau au
caracteristici moi. [COS 05c]Tabelul 3.1 Analiza soluiilor tehnice
a diferiilor palpatori [DIG 05] Tipul tehnologiei Avantaje
Inconveniente Palpator mecanic punct cu Foarte precis (1/100mm)
Foarte lent (1 punct tot la 4 punct Foarte economic secunde)
Independent de culoare i Presiune de contact textur Volum de lucru
limitat Dimensiuni mici Nu este adaptat pentru reconstrucia de
forme Palpator mecanic analogic Precis Relativ lent (in medie 100
Economic puncte/sec) Independent de culoare i Presiune de contact
textur Volum de contact limitat Dimensiuni mici Flexibil i optim
pentru reconstruirea formelor pieselor mecanice Laser punct Fr
contact Depinde de aspectul Relativ rapide (n medie suprafeei
200300 puncte/sec) Relativ scump Distana de lucru variabil Nu este
adaptat pentru forme foarte accidentate Precizie variabil Utilizare
relativ dificil Laser plan Fr contact Depinde de aspectul Foarte
rapide (> 10000 suprafeei puncte/sec) Scumpe Distana de lucru
variabil Precizie variabil (1/10 mm) Utilizare relativ dificil
Zgomot i parazii Optic Fr contact Depinde de aspectul Foarte rapide
(420000 suprafeei puncte/sec) Scumpe Distana de lucru variabil
Precizie foarte variabil Msurarea obiectelor Tratare ulterioar
complex mobile Utilizare complex Dimensiuni mari
O main de msurat cu camer video poate crete semnificativ viteza
msurrii unor repere care n alte condiii ar necesita consum de timp,
poziionare precis, sau n cazurile caracteristicilor multiple i mici
sau ansamblurilor mici care pot fi vizualizate n acelai timp. ntr-o
lume perfect, sau ntr-un mediu de producie integrat, sistemele
metrologice ar fi capabile s msoare toi parametri necesari ntr-o
singur etap, fr erori, i s redea
49
rezultatele n acelai fel ctre reelele de fabricare dotate cu
calculatoare, n formate folositoare pentru controlul mainilor i
managementul proceselor. Un aspect al acestei viziuni utopice este
abilitatea unui instrument automat de a msura o pies, sau o familie
de piese ntr-o singur etap. Aceast viziune este ceea ce a condus la
creterea folosirii mainilor de msurat n coordonate, i acum, din ce
n ce mai mult spre folosirea mainilor de msurat cu mai muli
senzori. Mainile de msurat cu mai muli senzori pot fi numitorul
comun n aceasta ecuaie. Mainile de msurat pot combina mai muli
senzori, inclusiv palpatori cu contact i fr contact, care conduc la
entiti 3D prin achiziie de puncte i senzori vizuali ce sunt
capabili s fac msurri de toate tipurile. Maina de msurat are
abilitatea de a lucra n proximitatea procesului de fabricaie. Daca
mainile de msurat sunt deja n uz, acionarea capacitii multisenzor
poate fi mai uoar, mai ieftin i s ofere mai mult funcionalitate
dect s-ar crede. Daca profilul aplicaiei o justific, i configuraia
mainii de msurat o ngduie, senzorul i pachetul de soft, de azi
poate fi nlocuit cu abilitile multisenzor.[ADA 03] n industrie,
achiziia de forme se adreseaz reverse engineering-ului sau
reconcepiei, care permite crearea unui model numeric al unui obiect
n scopul realizrii unui prototip sau a unei scule de fabricare
(exportul datelor achiziionate spre un soft CAD). Nu se poate
ignora importana instrumentelor de achiziie care sunt senzorii cu
laser, optici, ultrasonici sau video. Interveniile n lanul de
achiziie (senzori, sisteme integrate sau autonome) sunt ntr-o
evoluie constant nc de la apariia universului tridimensional
virtual. Fiabilitatea, precizia, uurina integrrii i costurile sunt
factorii importani care necesit ameliorare i suport soft, din ce n
ce mai inteligent permind o automatizare a calcului i expresiei
rezultatelor n termeni imediat utilizabili (nori de puncte,
reconstrucia suprafeelor poligonale, export direct spre instrumente
de CFAC sau maini de prototipare). (fig.3.6) nainte de a obine un
rezultat optim cu o tehnologie particular, este primordial a se
asigura c senzorul de achiziie corespunde cu aplicaia. Trebuiesc s
se ia n considerare criterii de precizie, de rezoluie, de
rapiditate a achiziiei, de rapiditate a msurrii, de gradele de
libertate sau de configuraia adecvat i de repetabilitatea
procesului. Precizia global a unui sistem de achiziie 3D depinde
nainte de toate de precizia senzorului i de dispozitivul de
achiziie (achiziie cu contact) sau structura de achiziie (achiziie
fr contact). Aceast precizie poate varia de la micron la milimetru
i mrimea achiziiei de la cteva puncte la cteva mii de puncte pe
secund.
50
Fig.3.6 Ciclul de realizare a unei piese prin reverse
engineering [ACQ 97]
3.2 Prototiparea rapid3.2.1 Conceptul de Prototipare Rapid Pe
perioada ultimului deceniu un nou concept de prototipare rapid
fizic numit fabricare stratificat sau fabricare solid fr form a
ctigat popularitate n lume. Activitatea numit RP i are nceputurile
de abia vreo 12 ani, cu apariia sistemului stereolitografiere.
Acest proces a avut un foarte mare impact n partea de design. Se
baza pe un model 3D CAD i a fost anunat ca un proces magic,
implicnd surse necunoscute ca UV i polimeri fotosensibili. n mod
clar activitatea de creare rapid a prototipului nu era nou: chiar i
un proiectant putea crea modelul 3D fizic cu minile lui (bazndu-se
pe desenele 2D) mai rapid dect orice sistem de RP. Poate fi
activitatea acestui proiectant (meteugar) numit RP sau nu? Muli
autori folosesc definiii limitate ale RP, iar unii includ
tehnologiile de creare a prototipului prin depunere n straturi
subiri de material (ca i sistemul de stereolitografiere).
51
Aspectul important al procesului de RP ca i cutie neagr este
translaia automat a modelului 3D CAD ctre modelul fizic, tehnologia
folosit neavnd importan prea mare. Asocierea prototiprii rapide se
face i n funcie de ali termeni, aa ca n figura de mai jos:Fabricaie
prin adugare de material Fabricaie rapid Fabricaie rapid a formelor
libere Fabricaie automat Fabricaie n straturi
Prototipare rapid
Fabricaie instantanee
Fabricaie direct a CAD Fabricaie de birou (desktop)
Printare 3D
Fig.3.7 Terminologia asociat prototiprii rapide [ONU 99]
Vom defini procesul de RP ca i Lennings: Procesul care creeaz
automat prototipul fizic pornind de la un model 3D CAD, ntr-o scurt
perioad de timp. [LEN 00] Ideea cheie a acestei noi tehnologii de
prototipare rapid este bazat pe descompunerea 3D n straturi subiri
de seciune transversal, urmate de formare fizic a straturilor i
stivuirea lor strat dup strat. Crearea obiectelor 3D n dispunere
stratificat este o idee aproape la fel de veche ca i civilizaia
uman (piramidele egiptene au fost de asemenea construite bloc cu
bloc i strat cu strat). Aezarea n stive a straturilor de materiale
n form individual are o veche tradiie n rndul aplicaiilor de
fabricaie la fel ca turnarea pieselor sau ca i topirea piesei. Ceva
mai mult de un deceniu arta construciei de obiecte 3D cu straturi a
fost avansat semnificativ de 3D System Inc., o companie american
din sudul Californiei. Disponibilitatea modelelor 3D computerizate
a fost crucial n realizarea conceptului de creare a obiectelor
stratificate, dar alte tehnologii precum sistemele laser i
computere puternice au ajutat la definirea acestei tehnologii
numite stereolitografie. Aceast tehnologie azi este capabil s
produc structuri 3D foarte complexe cu o foarte mic sau chiar deloc
contribuie uman. Aprnd aproape n paralel cu progresul,
stereolitografia a fost sistemul alternativ pentru fabricarea
stratificat oferit de mai multe companii americane. Sunt incluse
sisteme care construiesc obiecte stratificate prin laminarea
52
straturilor de materiale (Helisys) i prin fuziunea stratificata
sau legarea materialelor pulverulente (DTM, Soligen) sau extrudarea
firelor de sarm (Stratosys). Progresele au adugat un ir de
materiale noi care sunt mai bune dect polimerii utilizai n
stereolitografie. Azi avantajele fabricrii stratificate sunt
majoritatea derivate din abilitile sale de a crea rapid modele
fizice, indiferent de complexitatea formei. 3.2.2 Tehnici de
Prototipare Rapid Fabricarea ct mai rapid i cu un cost ct mai redus
a unui model sau a unui nou produs a fost i este un vis al oricrui
inginer tehnolog. ncepnd cu anii 90 acest vis s-a transformat i se
transform n fiecare zi n realitate datorit apariiei i implementrii
n practica industrial a tehnologiilor de fabricare rapid a
prototipurilor (Rapid Prototyping RP), care se deosebesc
fundamental de tehnologiile cunoscute i utilizate pn n acel moment.
Ca i noiune, prototiparea rapid este asociat cu o seam de procedee
tehnologice relativ noi ce permit realizarea rapid a modelului
fizic, a prototipurilor funcionale, a reperelor, a subansamblurilor
sau a sculelor implicate n procesul de dezvoltare a produsului.
Aceste tehnici de prototipare rapid folosesc un alt principiu
pentru materializarea piesei, prin adugare de material att ct este
necesar i unde este necesar. Tehnologiile care pot fi aplicate
ntr-un demers de prototipare rapid ca alternativ la metodele
tradiionale de fabricare sunt numeroase. Principiile folosite i
condiiile de aplicare sunt extrem de variate dar, n mod invariabil,
aplicarea industrial este dictat de eficacitatea dovedit n ceea ce
privete impactul comercial n sensul reducerii timpului de lansare
pe pia a unui produs oarecare (fig.3.8). Frecvent, aplicarea
tehnologiilor de prototipare rapid n diferite faze de dezvoltare a
produsului, determin o cretere a costurilor globale de lansare.
Aceast situaie este acceptat de factorii de decizie deoarece: -
confer avantajul devansrii termenelor de lansare i instalrii rapide
pe pia cu posibilitatea recuperrii investiiei din beneficiile
suplimentare realizate; - aplicarea acestor tehnologii permite
experimentarea soluiilor constructive ale echipamentelor
tehnologice concepute, validarea sau, dac este cazul, perfecionarea
acestora nainte ca modificrile ce se impun s determine creteri
exagerate ale costurilor de realizare ale sculelor.
53
Dezvoltare produs. Abordare secvenial - succesiv a fazelor
Dezvoltare produs Inginerie simultan
Prototip
Dezvoltare produs Prin aplicarea RP
RP
RP
Fig.3.8 Economia de timp generat de aplicarea tehnicilor de
RP
Rezultatul urmrit prin aplicarea acestor tehnologii este
realizarea n termen scurt i cu investiie suplimentar neglijabil a
unui numr limitat de exemplare din: - produsul propriu-zis ; -
replic (la scar sau din alt material) a produsului n diverse stadii
de dezvoltare; - scule i dispozitive necesare realizrii produsului,
pentru validarea concepiilor de creaie pn n faza curent, diferite
testri i orientarea n continuare a demersului de dezvoltare a
produsului. O clasificare a tehnologiilor de fabricare rapid a
prototipurilor este prezentat n fig.3.9, clasificare care sugereaz
o grupare a acestor tehnologii n dou categorii : - tehnologii de
formare prin depunere de material; - tehnologii de modelare prin
prelevare de material.
54
Lansare produs
RP
ECONOMIE DE TIMP
Lansare produs
Economie de timp
Lansare produs
Prototipare rapidFrezare(DM)
Prin depunere de material
Prin prelevare de material
Cu laser(DM)
Lichid
Microparticule
Folii
Solidificare de polimer lichid
Solidificare de fluid electrostatic(ES)
Solidificare de material topit
Fixarea cu liant (3DP, SF) Topire cu laser (SLS, LENS, DMD,
LasForm)
Fixarea formei cu adeziv (LOM, PLT) Fixare prin polimerizare UV
(SFP)
Punct cu punct (SL, LTP, BIS) Strat cu strat (Object, SGC,
RMPD,
Punct cu punct (BPM, MJM, FDM, 3DW) Strat cu strat(SDM)
DPS)Solidificare prin interferen holografic (HIS)
Fig.3.9 Clasificarea procedeelor de prototipare rapid
n continuare vor fi prezentate cele mai semnificative tehnici de
prototipare rapid:
Stereolitografierea (Stereolithography - SLA)Principiul:
Stereolitografia a fost primul proces comercializat pe pia n
1987.[STI 01] Este cel mai pe larg cunoscut i folosit n proporie de
37% pe pia. n procesul SLA, fiecare strat este creat prin tratarea
selectiv a unei rini fotosensibile folosind un laser cu UV. Figura
3.10 arat timpul de expunere al unui singur strat n timp ce este
scanat de un laser UV. Odat ce fiecare strat este terminat,
platforma de construcie este cobort pe o adancime egal cu grosimea
unui strat i procesul este continuat pn cnd piesa este terminat.
Deoarece acest proces folosete rina lichid ca material de baz,
structurile de susinere sunt cerute pentru a sprijini suprafeele cu
orientare n jos. Odat ce piesa a fost construit, trebuie s fie apoi
tratat ntr-un cuptor cu UV. Odat ce acest proces este terminat,
suporturile de susinere sunt ndeprtate.[NOR 01] Exista o gam larga
de materiale pentru acest proces, de la cele rezistente la
umiditate, la materialele puternice i rezistente la temperaturi
nalte, dar ele nc nu pot intra n competiie cu materialele plastice
folosite n inginerie, cerute de ingineri.55
Avantaje: precizie nalt, gam medie de materiale, posibila
realizarea de piese de dimensiuni mari. Dezavantaje: costuri
ridicate, necesit faciliti, necesit susinere, necesita tratare
ulterioar.[WOR 07] Schema de principiu:
a
b
Fig.3.10 Stereolitografia: a)- la nceputul procesului unde
primul strat este adus pe platform; b)- dup mai multe straturi
depuse [WIL 02]
Aplicaii: Stereolitografia este o metod economic de a verifica
forma, montarea i funcionarea, precum i verificarea estetic i
ergonomic a noilor produse. Acesta este i motivul pentru care
stereolitografia a devenit o tehnologie folosit n aproape toate
ramurile industriale. Aplicaiile ei se regsesc n domeniul
aerospaial, armamentului, automobilelor, consumului de electronice,
produse, jucrii, echipament industrial, echipament medical,
aplicaii chirurgicale, aplicaii dentare.
56
Depunere de material topit (Fused Deposition Modeling
FDM)Principiul: Difer de majoritatea celorlalte sisteme prin faptul
c nu folosete un laser pentru a crea stratul de material.
Materialul sub form de filament trece printr-un cap de extrudare i
este nclzit pn aproape de punctul su de topire. Acest material este
apoi scos prin captul capului i depozitat pe masa mainii sub forma
unui singur fir de material; aceste fire sunt depuse unul dup altul
pentru a crea stratul. O data ce stratul a fost terminat, masa de
construcie coboar cu un strat i procesul continu pn cnd urmtorul
strat este completat. [MAS 00] Piesele cu suprafee orientate n jos
necesit susinere substanial. n timp ce la celelalte procese aceste
susineri sunt generate automat, n cazul FDM se folosete material
diferit de cel al piesei. Materialul este un plastic ABS, i piesele
construite n timpul procesului au o trie de 80% din cea a
materialului de origine. Alte materiale includ ceara, ABS medical i
un elastomer.[NIK 00] Avantaje: precizie bun, materiale funcionale,
gam medie de materiale, ntreinere uoar. Dezavantaje: material de
susinere. Schema de principiu:
Fig. 3.11 Principiul FDM [PAH 05]
Aplicaii: Se produc prototipuri pentru verificarea formei,
montajului i funcionarii, la cost i timp redus comparativ cu
procedeele convenionale.
57
Fabricarea de piese stratificate prin laminare (Laminated Object
Manufacturing - LOM)Principiul: Primul sistem de fabricare LOM a
fost dezvoltat n anul 1991 de ctre compania Helisys.[KAI 98] n LOM,
obinerea straturilor ce compun piesa se face prin decuparea dintr-o
foaie de material solid (hrtie), folosind o sursa de laser
infrarou. Materialul care nu formeaz stratul prezent este fcut
cuburi care vor fi ndeprtate manual la sfritul procesului. Odat ce
fiecare strat este terminat, este legat la cel anterior folosind un
adeziv (aflat pe partea inferioara a colii de hrtie) activat de
cldur. Exist n prezent un singur material folosit pentru LOM
(hrtie), dei sunt o mulime de alte materiale n curs de dezvoltare
(plastic i compozit). La finalul procesului, piesa este mpachetat n
materialul n exces, care trebuie ndeprtat; datorit acestui lucru,
procesul LOM este cel mai potrivit pentru piese mari, care nu au
detalii complicate. Avantaje: precizie bun, construcie la scar
mare. Dezavantaje: gam limitata de materiale, proprieti slabe ale
materialelor, este necesar ndeprtarea susinerii.[RYD 02] Schema de
principiu:
Fig.3.12 Schema de principiu LOM [RYA 07]
Aplicaii: Se preteaz n special pieselor tridimensionale
voluminoase (matrie).
58
Sinterizare laser selectiv (Selective laser sintering -
SLS)Principiul: Procesul SLS este n prezent unul din cele mai
versatile de pe pia, datorit n mare parte numrului mare de
materiale disponibile. A fost dezvoltat de compania DTM (3D
Systems) n anul 1986. [RED 06] n procesul SLS, pulberea este
sinterizat selectiv sau topit de o surs laser infrarou. Din nou,
odat ce un strat este terminat, patul de pulbere coboar pe o
grosime de un strat i un nou strat de pulbere este depus i procesul
continu. La fel ca n procesul 3DP, nu sunt necesare dispozitive de
susinere, deoarece pulberea nesinterizat susine materialul piesei.
n final, suprafaa piesei finalizate este puin aspr la atingere. n
prezent exist apte materiale disponibile pentru acest sistem,
incluznd dou materiale pentru realizarea de scule: materiale
Duraform (Nylon), Glass Filled Duraform, Fine Nylon, Trueform,
Elastomer, Copper Polyamide, oel rapid si Sand Form. Avantaje: gam
larg de materiale, precizie bun, se pot realiza piese de dimensiuni
mari. Dezavantaje: sunt cerute anumite faciliti, finalizare
deficitar a suprafeei. Schema de principiu:
Fig. 3.13 Principiul SLS [PAH 05]
Aplicaii: SLS este ideal pentru obinerea pieselor care necesit
durabilitate ridicat, pentru testarea funcional a celor mai multe
aplicaii, este o metod rapid pentru dezvoltarea prototipurilor i
ofer o precizie ridicat a produselor.
Printarea 3D (3D Printing - 3DP)59
Principiul: Procesele 3DP dezvoltate de MIT n cursul anilor 90
au fost comercializate n mai multe sisteme diferite, dei numai
unul, Z Corporation 3D Printer va fi descris aici. n procesele 3DP,
un liant pe baz de ap este printat pe suprafaa unui pat de pulbere
pentru a crea un strat de material. Deoarece liantul are o
vscozitate foarte sczut, poate fi printat ntr-o manier similar unei
imprimante cu jet de cerneal i foarte rapid. [COS 04] Sistemul este
apreciabil mai rapid dect orice alt tehnologie de concepte de
modelare, cu o rat de construcie vertical de 50.8 mm pe or. Odat ce
stratul a fost printat, patul de pulbere este nivelat la grosimea
unui singur strat, un nou strat de pulbere este mprtiat deasupra
celuilalt i procesul este repetat pn cnd partea este finalizat.
Acest proces nu are nevoie de susinere deoarece pulberea care
nconjoar piesa susine fiecare strat consecutiv. Odat ce piesa este
finalizat, este scoas din main, excesul de pulbere este curat i
piesa este supus post-procesrii. n acest proces, piesele rezultate
sunt destul de slabe, i au nevoie s fie infiltrate cu un material
adiional. Exist n prezent dou astfel de materiale: cear i rin
epoxidic. Datorit versatilitii acestui proces, potenialului de
adugare de materiale i preciziei relative a procesului, sistemul
gsete o varietate de utilizri n industria de injecie a materiale
polimerice, Concept Modelling. Piesele obinute prin aceste
tehnologii pot fi folosite i pentru testare funcional, realiznd ns
n prealabil infiltrarea piesei cu rin epoxidic, crescnd astfel cu
mult duritatea ei. Avantaje: foarte rapid, costuri de utilizare
sczute, servicii uoare. Dezavantaje: necesit pai de post-procesare.
Schema de principiu:
a
b
c
Fig. 3.14 Printare 3D: a)- depunerea stratului de pulbere; b)-
printarea zonei care va deveni pies; c)- pistonul este cobort
pentru urmtorul strat [WIL 02]
Aplicaii:
60
3DP este folosit pentru producerea rapid a prototipurilor, a
pieselor finale i a matrielor. Prin aceast metod se pot crea piese
de orice geometrie i aproape din orice material, incluznd aici
ceramici, metale, polimeri i compozite.
Solid Ground Curing (SGC)
Fig. 3.15 Paii pentru procedeul SGC pentru fiecare strat: 1
pregtirea mtii; 2 aplicarea stratului de fotopolimer lichid; 3
poziionarea mtii i expunerea stratului; 4 ndeprtarea de pe suprafa
a polimerului nentrit; 5 completare cu cear; 6 frezare pentru
ndreptare i grosime [WIL 02]
Principiul: SGC a fost dezvoltat de o companie din Israel,
Cubital Ltd.[MAI 95] La fel ca stereolitografia, SGC acioneaz prin
tratarea unui polimer fotosensibil strat cu strat pentru a crea un
model solid bazat pe date geometrice CAD. - n loc s foloseasc un
fascicul laser pentru scanare, pentru a aciona asupra unui strat
dat, ntregul strat este expus unei surse UV printr-o masc situat
deasupra polimerului lichid;61
-
ntrirea dureaz 2-3 s pentru fiecare strat; Secvena pentru
fiecare strat dureaz n jur de 90de secunde; Se susine c timpul
pentru a produce o parte prin SGC este de opt ori mai rapid dect
orice alt tehnica RP; Forma cubic solid creat n SGC const din
polimer solid i cear; Ceara ofer susinere pentru trasturile fragile
sau suspendate ale piesei n timpul
fabricrii, dar poate fi topit i ndeprtat de pe pies. Avantaje:
pot fi realizate simultan mai multe piese, poziionate pe masa de
lucru a mainii, nu necesit material suport pretenios (cear),
stabilitate dimensional obinut n urma procesului (fr contracii),
posibilitatea obinerii de piese complexe fr dificulti prea mari,
secvena de construire poate fi ntrerupt, iar stratul eronat poate
fi ters. Dezavantaje: procesul necesit cunotine din partea
operatorului, consumul de rin nu tine seama de mrimea seciunii
transversale a piesei ce urmeaz a fi fabricat, ci depinde numai de
numrul de straturi, ceea ce face ca procesul s fie prea scump
pentru piesele cu seciunea transversal mic, costul ridicat al
echipamentului. Schema de principiu: prezentat n figura 3.15
Aplicaii: Prin aceast metod se pot fabrica modele din plastic,
complexe, folosite pentru validare de design, dar i ca modele
funcionale. 3.2.3 Prototiparea Rapid prin prelevare de material -
frezare Dezvoltarea Prototiprii Rapide este strns legat de
dezvoltarea aplicaiilor pe calculator din domeniu. Costul n scdere
al calculatoarelor, mai ales pentru calculatoarele personale sau
minicalculatoare, a schimbat modul n care lucreaz o fabric.
Creterea utilizrii calculatoarelor a stimulat avansul n multe
domenii legate de calculatoare, cuprinznd Proiectarea Asistat de
Calculator (CAD), Fabricaia Asistat de Calculator (CAM) i
mainile-unelte de Control Numeric pe Calculator (CNC). n
particular, apariia sistemelor RP nu ar fi fost posibil fr existena
CAD. Totui, din examinarea atent a numeroaselor sisteme RP
existente n prezent, se poate deduce uor c multe alte tehnologii,
altele dect CAD, i avansuri n alte domenii, cum ar fi sistemele i
materialele de fabricaie, au fost la rndul lor cruciale n
dezvoltarea sistemelor RP.[RAP 07] Tabelul 3.2 traseaz dezvoltarea
n timp a tehnologiilor relevante legate de RP de la data estimat a
apariiei.
62
Tabelul 3.2 Dezvoltarea istoric a prototiprii rapide i a
tehnologiilor nrudite Anul de nceput 1770 1946 1952 1960 1961 1963
1988 Tehnologia Mecanizare Primul calculator Prima main-unealt de
control numeric (NC) Primul laser comercial Primul robot comercial
Primul sistem de grafic interactiv (o versiune incipient a
Proiectrii Asistate de Calculator) Primul sistem comercial de
Prototipare Rapid
Dei termenul de prototipare rapid se aplica la nceput
tehnologiilor prin depunere de material, tot mai muli autori [NIC
00], [CUR 03], [LEN 00], [MOD 05] folosesc denumirea de SRP
(Subtractive Rapid Prototyping), incluznd n aceasta categorie i
frezarea. SRP (Subtractive Rapid Prototyping) este un proces de
transformare a modelelor geometrice digitale ntr-un obiect fizic.
Termenul Subtractiv sugereaz prelevare de material n timpul
procesului. Aceasta este tocmai ceea ce prototiparea rapid CNC
face. Orice model CAD, CAM poate fi mbuntit. Subtractive Rapid
Prototyping (SRP) este un proces n care obinerea prototipului sau a
piesei fabricate se realizeaz cu costuri sczute. Modelul digital
este remodelat i transformat ntr-un obiect fizic care poate fi inut
n mn. Un proces de prototipare poate fi numit prototipare rapid
dac: Procesul se bazeaz pe utilizarea datelor CAD tridimensionale;
Piesa prototip este creat (aproape) automat (aproape se adaug
deoarece toate procesele curente implic i unele munci manuale
pentru pre- i / sau postprocesare); Modelul este gata n cteva zile.
Rapid trebuie neles n opoziie cu realizarea manual a unei piese
prototip, lucru care, n general vorbind, ar necesita mai multe
sptmni. Aceast definiie nu include meseriaii abili, care pot
realiza un model din spum, manual, n s zicem 10 minute (literar
vorbind, prototipare rapid ntr-adevr!). Aspectul important este c
nu conteaz tipul de proces implicat: sunt cuprinse aici tehnici
incrementale (LMT = Tehnica de Fabricare Stratificat), ca i
decrementale (CNC = prelucrare Numeric Controlat). Aplicaia curent
de baz a sistemelor RP const n reducerea timpului n care un produs
nou este (aproape) terminat: chiar nainte de a face cheltuielile
ample legate de crearea echipamentelor de fabricaie. Testarea unei
piese prototip complet funcional n acest moment ofer oportunitatea
localizrii greelilor de proiectare i corectrii lor n condiiile n
care costurile schimbrii sunt nc mici, greeli care se poate s fi
rmas neobservate la testarea numai a modelului CAD 3D.
63
Vezi graficul costului efectiv din binecunoscuta figur 3.16.
Acest test de preproducie este vital: n multe cazuri se realizeaz
chiar i o serie limitat de piese prototip n scopuri de testare
folosind un proces de prelucrare rapid. Deoarece aceast testare de
preproducie constituie aplicaia de baz curent a RP, cei mai muli
productori de sisteme RP de pn acum s-au concentrat pe dezvoltarea
sistemelor RP sofisticate necesare. Totui, n ultimii ani s-a
observat o divergen ntre aceste maini pretenioase i un tip nou de
maini RP: Modelatoarele de Concept (Throup, 1996; Wohlers,
1997).
Fig. 3.16 Costul anticipat i costul efectiv n funcie de stadiile
procesului de proiectare (axa timpului de dezvoltare) [DES 07]
Un sistem de Prototipare Rapid poate fi denumit Modelator de
concept dac: 1. Preul ntregului sistem este mai mic de 10 000 USD.
2. Sistemul poate fi folosit ntr-un birou de proiectare, fr s
cauzeze nici o inconvenien legat de zgomot, miros ru sau materiale
toxice. 3. Un model se poate realiza n timpul unei pauze de cafea
(15 minute). 4. Operaia este la fel de uoar ca apsarea unui buton
(la fel de uoar ca apsarea butonului Imprim dintr-un procesor de
cuvinte). Un sistem complet cost mai puin de 10 000 USD (costul cel
mai mic este de aproximativ 3 000 USD); piesa prototip poate fi
gata n 10 minute (cnd se alege o precizie redus i un material uor
cum este spuma). Utilizarea prelucrrii CNC pentru crearea de piese
prototip este desigur binecunoscut, cu toate acestea pn de curnd
aceast tehnic nu era tocmai rapid. Problema principal era
calcularea traiectoriilor de prelucrare, pentru care era necesar un
operator experimentat al programului de calculator CAM. Acest
proces ar implica aplicarea mai multor straturi de64
suprafa, precum i crearea i verificarea traiectoriilor de
prelucrare pentru fiecare suprafa separat, lucru ce ar lua mai
multe ore (Wall, 1992). n trecut, abordarea CNC nu era potrivit
pentru modelarea conceptual, datorit investiiilor mari necesare
pentru main i pentru programul de calculator. Ambele probleme au
fost rezolvate, iar acum CNC ofer posibiliti de modelare conceptual
ce sunt n fapt superioare LMT. O a patra caracteristic este costul
redus al programului, care l face nimerit pentru Modelarea
Conceptual. i n ceea ce privete maina, lucrurile s-au schimbat: se
gsete acum o nou generaie de maini de prelucrare CNC, cu cost
redus, pentru birou. Deoarece tehnica de baz pentru CNC este mai
simpl dect cea pentru LMT, preurile acestor maini de prelucrat sunt
mult mai mici. Suficient de mici pentru a cumpra pur i simplu una.
Un avantaj important al utilizrii unui sistem CNC pentru modelarea
de concept este faptul c nu sunt necesare imagini tridimensionale
veritabile (modele tridimensionale CAD - solide). Asta spre
deosebire de sistemele LMT, care nu pot funciona cu solide
incomplete. n faza de proiectare conceptual n cele mai multe cazuri
se folosesc modele CAD 3D simple, constnd de exemplu numai din
suprafee. Unele birouri de proiectare folosesc chiar programe
simple de calculator CAD speciale pentru proiectare conceptual,
care nu sunt capabile cu o modelare solid (tridimensional)
veritabil. Este un lucru cunoscut utilizatorilor CAD experimentai
c, trecerea la o imagine solid veritabil (fr tieturi, goluri,
suprafee duplicate, etc.) nu este uoar i poate lua de fapt cteva
zile.[DES 07] 3.2.4 Noiuni legate de piesa prototip 3.2.4.1
Definirea piesei prototip Un prototip este o parte important i
vital a procesului de dezvoltare al unui produs. n orice practic de
proiectare, cuvntul prototip nu este departe de lucrurile n care se
implic proiectanii. Totui, n proiectare, el nseamn deseori mai mult
dect un simplu artefact. A fost utilizat adesea ca verb, spre
exemplu, prototiparea unui proiect de motor pentru evaluarea
tehnologiei, sau ca adjectiv, de exemplu, construirea unui tablou
de circuite imprimate (PCB) prototip. Pentru a fi destul de general
ca s acopere toate aspectele semnificaiei cuvntului prototip legate
de utilizarea sa n proiectare, este definit foarte pe larg aici ca:
o aproximare a unui produs (sau sistem) sau a componentelor sale
ntr-o anumit form, pentru un scop precis n aplicarea sa. Aceast
definiie foarte general se ndeprteaz de conceptul general acceptat
al prototipului fizic. Ea cuprinde toate tipurile de prototipuri
utilizate n procesul de dezvoltare al produsului, inclusiv
obiectele de genul modelelor matematice, schielor n creion,
modelelor de spum i desigur aproximarea fizic funcional a
produsului. Prototiparea65
este procesul de realizare a acestor prototipuri. Aici, procesul
poate varia de la simpla executare a unui program de calculator la
construirea efectiv a unui prototip funcional. 3.2.4.2 Piese
prototip Diferite clasificri ale prototipurilor au fost incluse n
numeroase lucrri. Cele referitoare la tehnica de prototipare rapid
sunt prezentate n [NOR 01], [ZOR 03]. Definiia general a
prototipului conine trei aspecte de interes: 1. Implementarea
prototipului: de la ntregul produs (sau sistem) n sine la
subansamblele sau componentele sale; 2. Forma prototipului: de la
un prototip virtual la unul fizic; 3. Gradul de aproximare a
prototipului: de la o reprezentare foarte aproximativ la o copiere
exact a produsului. Aspectul de implementare al prototipului acoper
domeniul de prototipare al ntregului produs (sau sistem) la
prototiparea unei pri, subansamblu sau componente ale produsului.
Prototipul complet, aa cum i sugereaz denumirea, nglobeaz cele mai
multe, dac nu toate, caracteristicile produsului. Al doilea aspect,
al formei prototipului, ine seama de prototipul ce este pus n
practic. Prototipurile virtuale, ce se refer la prototipuri
intangibile, sunt reprezentate de obicei ntr-o anumit form nefizic,
de exemplu, un model matematic al unui sistem de control. Astfel de
prototipuri sunt de obicei studiate i analizate. Un astfel de
prototip se folosete adesea, fie cnd prototipul fizic este prea
mare i de aceea necesit prea mult timp s fie construit, fie cnd
realizarea unui atare prototip este exorbitant de scump.
Principalul dezavantaj al acestor tipuri de prototipuri este c se
bazeaz pe nelegerea curent i de aceea ele nu vor putea prevedea
nici un fenomen neateptat. Ele sunt foarte slabe sau total
nepotrivite pentru soluionarea problemelor neanticipate. Modelul
fizic, pe de alt parte, este manifestarea tangibil a produsului,
construit de obicei pentru testare i experimentare. Exemple de
astfel de prototipuri includ macheta unui telefon celular ce arat i
este perceput fizic n mare msur ca produsul real, ns fr funciile
sale specifice. Un prototip de felul acesta poate fi folosit doar
pentru evaluarea factorilor estetic i uman. Al treilea aspect
acoper gradul de aproximare al reprezentativitii prototipului. Pe
de o parte, modelul poate fi o reprezentare foarte aproximativ o
produsului dorit, cum ar fi un model din spum, folosit cu precdere
la studierea formei generale i dimensiunilor produsului n faza sa
iniial de dezvoltare. Unele prototipuri brute pot nici mcar s
nu
66
arate ca produsul final, ns sunt folosite pentru a testa i
studia anumite probleme ale dezvoltrii produsului. Figura 3.17
prezint diverse tipuri de prototipuri n funcie de trei aspecte ale
descrierii unui prototip. Fiecare din cele trei axe reprezint un
aspect al descrierii prototipului. Aceast ilustrare nu se dorete a
oferi o scal exact pentru descrierea prototipului, ci servete la
demonstrarea faptului c prototipurile pot fi descrise dup aceste
trei aspecte.
Complet Model CAD de telefon celular
Produs final Prototip alfa Precis
Model RP de tastatur Virtual Model brut din spum al telefonului
celular Schem a tastaturii Mai puin precis Model manual din cauciuc
al tastaturii Fizic
Component
Fig. 3.17 Prototipuri descrise n funcie de cele trei aspecte ale
implementrii, formei i aproximrii [RAP 07]
Prototiparea rapid intr n mod tipic n sfera prototipului fizic,
fiind de obicei foarte precis i putnd fi implementat la nivelul
unei componente sau unui sistem. Acesta reprezint volumul umbrit
prezentat n figura 3.17. Versatilitatea (caracterul schimbtor) i
spectrul diferitelor prototipuri, de la sisteme complete la
componente individuale, ce pot fi produse prin intermediul RP cu
diverse grade de aproximare, constituie o unealt important pentru
prototipare n procesul de dezvoltare a produsului. Adugnd avantajul
major al vitezei de redare, aceasta a devenit o component important
n arsenalul de prototipare ce nu trebuie ignorat.67
3.2.4.3 Rolul piesei prototip n cazul matrielor de injectat
Clienilor le place deseori s vad i s ating o pies prototip a prii
actuale nainte ca s o achiziioneze. Acest lucru este adevrat mai
ales cnd e vorba de o activitate de producie n mas, cum ar fi
matriarea prin injecie, extruziunea sau matriarea prin rotaie.
Motivul este evident. ntruct matriele i tanele sunt destul de
scumpe, nimeni nu vrea s investeasc ntr-un produs a crui finalizare
este incert. Astfel, este esenial s construieti mai nti o pies
prototip pentru clientul tu. n funcie de mrime, form i material,
costurile pentru produsul de ncercare vor varia. Schimbrile pot fi
fcute foarte uor, iar costul este avantajos n aceast etap a
dezvoltrii. Nu este ntotdeauna posibil s schimbi matria de
injectat. Este fezabil, dar de cele mai multe ori, este foarte
scump. Un alt avantaj al piesei prototip este c att creatorul
acestuia ct i clientul pot lua parte la realizarea i ncercarea
ntr-o situaie real a acesteia. Modificrile necesare pot fi fcute pn
cnd amndoi sunt mulumii de acel produs. Abia atunci poate ncepe
producia cu ncrederea de a ti c prile vor funciona. Partea delicat
n construirea unei piese prototip (PP) este s o faci s semene ct
mai mult posibil cu produsul final i destul de rezistent pentru a
se potrivi aplicaiei. Unele produse pot fi prea mari fa de PP, n
mrime real, i atunci o PP n mrime redus ar putea fi o soluie
(bineneles, cu acordul clientului). Aceasta va oferi o imagine
despre funcionarea i comportamentul produsului final. Se pot gsi
modele pentru toate cldirile cu conducte, rezervoare i maini,
containere speciale cu anumite funcii, capace cu forme speciale,
mobilier, componente de automobile i aa mai departe. Subiectul PP
este foarte vast i nu cunoate aproape nici o limit. Dup cum am
menionat la nceput, toate produsele pentru producia de mas trebuie
s aib mai nti o PP pentru a economisi bani i nervi. Aadar, care
este cel mai bun mod pentru a crea o PP? Mai nti trebuie ascultat
clientul pentru a-i nelege nevoile. Uneori va fi necesar s se fac
modificri n proiectul original pentru a se putea produce produsul.
Alegerea materialului potrivit care se va comporta bine n funciune
este, de asemenea, important. n aceast etap este nevoie de multe
consultri. Nu trebuie nceput construirea primei PP pn cnd nu este
finalizat proiectul i materialul. Crearea PP pentru producia de mas
este un pas foarte important pentru a fi orientat mai mult ctre
client i ctre costuri eficiente. De asemenea, este o pia bun de
achiziionat. Cu ct este mai bun PP, cu att mai repede se poate face
produsul final. Cheia pentru a produce PP bune este s nelegi
nevoile clientului, s cunoti diferitele aplicaii ale produsului i s
cunoti materialele plastice i cum se lucreaz cu ele.[PLA 07]
68
Proiectarea este o chestiune de echilibru: greutate vs.
rezisten, cost vs. calitate, vitez vs. acuratee, etc. n timp ce
dezvoltarea progreseaz, prototipul este o parte esenial a
procesului de echilibrare i reprezint designerul cu alegerile sale.
Tehnologia de proiectare a produsului ce urmeaz a fi injectat ofer
o varietate de opiuni. Prototiparea rapid (RP) include
stereolitografia, sinterizarea selectiv cu laser, modelarea cu
depunere fuzionat, fabricarea prin laminare a obiectului i tiprirea
tridimensional. Fiecare dintre aceste tehnici construiete una cte
una, de la modelele 3D-CAD, unind straturile materialului pentru a
crea prototipul finalizat. Fabricaia rapid (Rapid Tooling - RT)
folosete prototiparea rapid pentru a crea iniial modelul i apoi pe
baza acestuia se poate realiza matri n care pot fi fcute modificri
suplimentare. Materialele matriei pot varia de la cauciuc silicon
la compui. n sfrit, exist i o matriare prin injecie tradiional,
care este folosit n primul rnd pentru producie, dar ar putea fi
folosit uor i pentru a crea PP. Prototiparea rapid este cea mai
rapid metod i poate produce forme foarte complexe, fr nici un cost
suplimentar privind sculele, poate fi necostisitoare att timp ct
este nevoie numai de cteva piese. Oricum, RP nu ofer nici o
economie din punct de vedere al complexitii modelului ce se dorete
a fi obinut, iar costurile sale cresc rapid odat cu cantitatea.
Piesele pot fi fcute numai dintr-o gam limitat de materiale i n mod
tipic nu sunt finisate. Fabricaia rapid poate produce uneori pri de
o calitate mai bun dect prototiparea rapid, dei alegerea
materialelor este oarecum limitat. De asemenea, este i mai lent i
mai costisitoare datorit pasului suplimentar pentru a crea o scul
din prototipul original. Nevoia de a crea matrie mrete costurile i
poate limita complexitatea formelor care pot fi efectiv duplicate.
Matriarea prin injecie rapid folosete matrie din metal pentru a
produce piese cu adevrat funcionale, cu un finisaj bun i ntr-o mare
varietate de rini. Este similar cu matriarea prin injecie
tradiional (dei cu mult mai rapid i mai puin costisitoare). Este
competitiv cu fabricaia rapid din punct de vedere a vitezei de
lucru i ofer economisiri mai bune dect prototiparea rapid sau
fabricaia rapid. Matriarea prin injecie tradiional poate produce
cea mai complex i finisat pies, dar este considerat, n general,
prea lent i costisitoare pentru PP, dei poate fi folosit atunci cnd
este foarte posibil c matriele vor intra direct n producia de mas.
Caracteristicile unei PP cuprind calitatea, costul i viteza cu care
este fcut. Calitatea impus unei PP poate varia n mare msur. n
etapele de proiectare anterioare, asemnarea cu o parte produs poate
fi aproximativ, dar pe msur ce procesul se ndreapt ctre sfrit, PP
trebuie s fie i mai aproape adecvat prii finalizate. Exist dou
msuri ale calitii. Prima este forma i potrivirea n form, mrime,
finisare i, chiar, culoare. Cealalt69
este adecvarea din punct de vedere funcional, n rezisten,
durabilitate, rezisten chimic, toleran la cldur i altele de acest
gen. Evident, nu exist o singur alegere bun pentru toate nevoile.
Prototiparea rapid, spre exemplu, poate fi o alegere bun pentru
determinarea rapid a formei i corespondenei, dar, n general,
produce pri slabe pentru testarea funcional. Matriarea prin injecie
rapid, pe de alt parte, este oarecum mai costisitoare, dar produce
PP ideale pentru testarea funcional. Muli designeri dezvolt o trus
de scule pentru metode de a face prototipuri, alegnd o tehnologie
specific care corespunde nevoilor unui proiect sau unei anumite
etape dintr-un proiect. Acest lucru le permite s aloce resurse,
folosind banii economisii ntr-o etap pentru a grbi operaiunile n
alt etap. Aceste PP scoase rapid i cu bani relativ puini pot fi
utilizate pentru a ajusta imaginea i impresia pe care o las piesa.
Odat ce a fost determinat o imagine aproximativ, designerii pot s o
duc la testarea funcional, folosind matriarea prin injecie rapid
pentru a produce cteva sute de piese. ntruct aceste piese pot fi
produse rapid n oricare din sutele de rini, ele sunt ideale pentru
a testa rezistena, durabilitate, rezisten chimic, toleran la cldur
a unei piese n utilizare real sau simulat. Dac este dorit o anumit
rin, pot fi refolosite aceleai matriri prin injecie rapid pentru a
produce piesa dintr-un material diferit. Sau, dac sunt depistate
erori chiar n proiect, pot fi produse rapid noi matrie. n unele
cazuri, matririle prin injecie rapide pot fi utilizate chiar pentru
a produce funcionri mai lungi pentru testarea pe pia. Dac PP trece
testul, matriele din oel, tradiionale, pot fi cerute pentru
derularea produciei finale. n unele cazuri, matriele din aluminiu
create pentru matriarea prin injecie rapid pot fi utilizate ca o
unealt punte pentru producia preliminar n timp ce sunt produse
matriele din oel. Sau, dac derularea produciei finale nu este prea
mare, sau dac timpul pentru vnzare este critic, matriele din
aluminiu pot deveni de fapt, matrie de producie. n alegerea
metodelor de a face PP, trebuie s se defineasc att condiiile
tehnice, ct i constrngerile afacerii. Dac forma i adecvarea
constituie prioriti, atunci unele opiuni de prototipare rapid sau
fabricaie rapid vor funciona, ntocmai ca i matriarea prin injecie
rapid. Dac sunt necesare piese pentru testarea funcional, limitrile
materialelor pentru prototipare rapid i fabricaie rapid, pot fi o
problem. Modelarea prin injecie, rapid sau altfel, ajut mai mult
rinile care vor fi utilizate n producie. Dac sunt necesare mai puin
de 10 produse, prototiparea rapid va fi mai avantajoas dect
matriarea prin injecie rapid sau fabricaia rapid. Pentru 10 pn la
100 de produse, o alegere mai bun poate fi matriarea prin injecie
rapid sau fabricaie rapid. Pentru piese, care trebuie realizate n
mai puin de trei zile, singura alegere poate fi70
prototiparea rapid. Dac se poate atepta ntre trei zile i dou
sptmni, cea mai bun soluie o constituie matriarea prin injecie
rapid sau fabricaia rapid. n cazul n care sunt necesare mai mult de
10 000 de produse, cel mai bun pariu l reprezint matriarea prin
injecie tradiional. Avnd o gam larg de opiuni n trusa de scule, se
poate da o linie aerodinamic procesului de proiectare. Metoda
adecvat n etap potrivit a dezvoltrii economisete timp i bani,
permind mai multe (sau mai eficiente) emiteri. Banii economisii pot
fi realocai, timpul economisit aduce produsele mai repede pe pia,
iar PP mai bune nseamn produse finale mai bune. Pe piaa concurenial
de azi, mai rapid, mai bun, mai ieftin este o combinaie foarte greu
de depit.[CLE 05]
3.3 ConcluziiIndustria scanrii 3D, considerat de muli nc departe
de a fi ajuns la maturitate, se dubleaz n fiecare an. Tehnologiile
de scanare 3D contribuie la optimizarea dezvoltrii noilor produse
prin accelerarea fazei de control al procesului. n industrie,
achiziia de forme se adreseaz reverse engineering-ului sau
reconcepiei, care permite crearea unui model numeric al unui obiect
n scopul realizrii unei PP sau a unei scule de fabricare (exportul
datelor achiziionate spre un soft CAD). Nu se poate ignora
importana instrumentelor de achiziie care sunt senzorii cu contact,
i senzorii fr contact: laser, optici, ultrasonici sau video. Cele
mai bune rezultate n termeni de precizie i calitate a suprafeei
sunt obinute folosindu-se sisteme de inginerie invers prin contact.
Senzorii noncontact laser i cei vizuali s-au dezvoltat ca i
alternativa pentru nlocuirea celor cu contact, unde contactul fizic
nu este posibil n cazul suprafeelor fine sau finisate delicat,
superfinisate sau cu asperiti mari i cele cu muchii ascuite.
Modelul obinut n urma scanrii poate fi folosit apoi pentru obinerea
PP. Mai multe tehnologii de obinere a PP au fost prezentate n acest
capitol, alegerea tehnologiei optime fcndu-se n funcie de tipicul
aplicaiei.
71
