Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Макетирование и прототипирование

Объемно-пространственное решение изделий при помощи макетирования осуществляется одновременно с разработкой проекта на всех основных этапах художественного и технического конструирования.

Образцы дают возможность проектировщику эффективнее воспринять и дать оценку изделию, инженер получает наиболее полное представление о форме, пропорциях изделия в целом и в соотношениях деталей, корректирует связь проектируемого объекта с антропометрическими данными. Правила выполнения и проектирования макетов регламентирует ГОСТ 2.002-72 (ЕСКД) «Требования к моделям, макетам и темплетам, применяемым при проектировании».

Настоящий стандарт распространяется на макеты, прототипы, модели, применяемые в процессе макетного метода проектирования, применяемые при методе плоскостного макетирования проектных решений, и устанавливает основные термины и их определения, масштабы и правила изображения изделий, зданий, и сооружений, применяемых при разработке проектов промышленных предприятий, опытно-промышленных установок и сооружений.

В процессе макетного метода проектирования применяют проектирование с применением темплетов и моделей – метод разработки проектных решений при помощи темплетов и моделей, обеспечивающий возможность их быстрого выполнения, сравнения и выбора оптимального варианта.

К проектированию с применением темплетов и моделей не относится изготовление демонстрационных или действующих макетов.

В соответствии с ГОСТом выделяют четкое разграничение понятий «макет» и «модель».

Модель – изделие, являющееся трехразмерным упрощенным изображением предмета в установленном масштабе. Модель является составной частью макета. Она изображает внешнюю форму и основные детали предмета. Внешняя форма моделей при максимальном упрощении должна сохранять принципиальное сходство с изображаемым предметом. Движущиеся части оборудования изображают на модели в среднем рабочем положении. На модели массового выпуска должны быть нанесены условные обозначения, характеризующие модель и ее параметры.

Темплет – изделие, являющееся двухразмерным изображением предмета в виде упрощенной ортогональной проекции в установленном масштабе. На темплете изображают контурное очертание предметов, а также необходимые детали и крайние положения подвижных частей. Внутри изображения проводят линии видимого контура и при необходимости линии, изображающие невидимые контуры предметов.

Контурное очертание предметов выполняется с упрощениями, без изображения мелких выступов и впадин. Для изображения предметов на темплетах применяют линии по ГОСТ 2.303-68. Наименьшую толщину линий и наименьшее расстояние между линиями выбирают в зависимости от масштаба темплета и способа тиражирования проектной документации. На них, изображающих оборудование, равносторонними треугольниками указывают места обслуживания оборудования и подводки коммуникаций.

Макет – изделие, являющееся изображением проектного решения в установленном масштабе, которое собирается из темплетов или моделей.

Макет может быть: двухразмерным и трехразмерным.

В зависимости от стадии разработки различают проектный и рабочий макет.

Двухразмерный макет (ДМ) – изделие, являющееся упрощенным изображением проектного решения в установленном масштабе, которое собирается из темплетов. ДМ служит, как правило, только средством для выполнения графической части проектной документации и чертежей.

Трехразмерный макет (ТМ) – изделие, являющееся упрощенным изображением проектного решения в установленном масштабе, которое собирается из моделей. ТМ дополняет или заменяет графическую часть проектной документации и чертежей.

Проектный макет – прототип, собранный на стадии разработки технического проекта с использованием упрощенных темплетов и моделей.

Рабочий макет – прототип, собранный на стадии разработки рабочей документации с использованием темплетов и (или) моделей.

В проектировании среды используют объемные образцы отдельных изделий, групп, интерьеров и элементов оборудования. В зависимости от масштаба, степени проработки и этапа конструирования проектирование выполняются в сочетании их с натуральными материалами или имитацией их в материалах, предусмотренных проектом.

Макеты бывают поисковые и окончательные. Поисковые макеты (пм) предназначены для авторской проверки композиционных решений (эскизное конструирование, разработка технического проекта) (рис. 1).

Рабочие макеты

Рис. 1. Рабочие макеты

Демонстрационный макет (дм) изготавливают, когда практически решен композиционный и художественно-конструкторский замысел и нет оснований для глобальных изменений. Его выполняют на самом высоком уровне качества, с деталировкой и используют при сдаче проекта в целом.

Существуют также дм интерьеров и мебели, используемые в качестве экспонатов на выставке (рис. 2).

Макет дворца

Рис. 2. Макет дворца

Масштабы уменьшения изображения на макетах, моделях и темплетах должны выбираться из следующего ряда: 1:5; 1:10; 1:20; 1:25; 1:50; 1:100; 1:200.

При проектировании генеральных планов масштабы уменьшения изображений на макетах и темплетах должны выбираться из следующего ряда: 1:100; 1:200; 1:400; 1:500; 1:1000; 1:2000; 1:5000.

Цветовое решение макета

ПМ выполняют в однотонном цветовом решении, т.к. их основная цель – проверка компоновки деталей и узлов, уточнение основных пропорций объекта (см. рис. 1). Подобное позволяют оценить не только общий вид объекта, но и соблюдение требований эргономики и безопасности эксплуатации объекта, а также ряд иных технических характеристик. Объемный реальный прототип позволяет выявить допущенные ранее ошибки, оценить функциональные, технические и эстетические достоинства проекта.

На рабочем образце промышленного объекта опознавательная окраска моделей строго регламентирована и должна соответствовать ГОСТ 2.002-72. Конструктивные элементы макета, не имеющие прообраза в натуре, окрашивают в белый цвет или выполняют из прозрачного бесцветного материала.

Архитектурные макеты, как правило, выполняют в ограниченной цветовой гамме, для обеспечения цельности восприятия большого пространства – чтобы яркие цвета не дробили макет (рис. 3).

Макет детской игровой площадки

Рис. 3. Макет детской игровой площадки

Объекты интерьеров выполняют с условным приближением к цветовому решению проекта для обеспечения его выразительности и наглядности (рис. 4).

Визуализация интерьера

Рис. 4. Визуализация интерьера

ДМ выполняют с учетом конечных материалов исполнения проекта, что позволяет представить форму предмета, его пропорции, цветовое оформление (см. рис. 2).

Архитектурно-планировочные объекты

Архитектурный макет (от фр. maquette – макет) – это объемно- пространственное изображение проектируемого или существующего сооружения, архитектурного комплекса, ансамбля, выполненное в уменьшенном масштабе.

Форма подмакетника выбирается в соответствии с формой проектируемого участка.

Рельеф в макете показывается достаточно условно. Существует несколько способов передачи рельефа. Один из самых распространенных приемов – набор высоты по изолиниям (рис. 5). Сглаживание этой ступенчатости не является обязательным. На дм рельеф может быть сглажен за счет верхнего слоя, выполненного из различных материалов. Поверх этого слоя наносится покрытие, имитирующее растительность, мощение.

Также рельеф может быть вырезан из вспененного полиэтилена (пеноплекса). Одновременно с рельефом прорабатывается геопластика (рис. 5). Поверх подготовленного рельефа наносятся элементы планировки: дороги, разворотные площадки, стоянки, пешеходные дорожки. Они, как правило, выделяются цветом – проезжая часть одним цветом, пешеходная другим (рис. 6).

Изображение в макете рельефа,воды и растительности

Рис. 5. Изображение в макете рельефа, воды и растительности

Макет жилого квартала

Рис. 6. Макет жилого квартала

Объемы зданий и сооружений прорабатываются в зависимости от масштаба макета – чем больше масштаб, тем релятивней показывается объем зданий.

Озеленение на макете показывается различными способами. Это может быть бумажная пластика и условность в изображении растительности (рис. 5), также в макетах часто используются элементы из природных материалов: мелкие шишечки, ветки, сухостой, мхи, лишайники.

Для передачи фактур могут быть использованы различные материалы: поролоновая крошка, горчичный порошок, манка, пшено, гречка, овес в зернах и хлопьях, наждачная бумага.

Цветовое решение, как правило, сдержанное и достаточно условное.

Малые архитектурные формы, элементы декоративно-прикладного искусства и водные устройства устанавливаются на завершающем этапе работы. В завершении работы на макет наклеивается надпись с указанием названия объекта и масштаба его исполнения, подпись с указанием авторов проекта и роза ветров, рисования эскиза и будущего рабочего чертежа. Более подробную информацию по выполнению проектной конструкторской документации вы можете получить тут, также вы можете посмотреть наши видеоматериалы по работе с чертежами.

Прототипирование

Быстрое прототипирование (бп) – незаменимый инструмент отработки новых изделий, позволяющий проверить конструкцию до запуска в производство, выявить ошибки проектирования, внести необходимые коррективы не в деталь, а в её компьютерную модель, а затем уже оперативно изготовить оснастку. Необходимо отметить, что цена исправления ошибки, обнаруженной на этапе серийного производства, в многократно раз выше, чем при изготовлении прототипа.

Поэтому так актуальны вопросы бп на этапах проектирования деталей конструкции. Важным элементом проектирования деталей является возможность проверки качества этой детали, ее технологичность, апробация ее изготовления на различном оборудовании. Для этих целей, в последнее время, стало активно внедряться за рубежом, а постепенно и в нашей стране процессы бп и производства (Rapid Prototyping and Manufacturing, RPM).

Технологические процессы послойного синтеза различных материалов, позволяют создать объект изделия сложной формы в соответствии с твердотельной моделью детали, созданной на компьютере при проектировании.

Методы бп позволяют провести проверку проектируемых деталей на этапах их создания, когда по электронной модели детали проводится изготовление их физической модели. Эта модель может служить составной частью реальной сборки наряду с изготовленными деталями для контроля собираемости конструкции. Кроме того, она может быть мастер - моделью для создания литьевых форм, для программирования станков с ЧПУ.

Технологии послойного синтеза являются мощным средством сокращения времени технологической подготовки производства (ТПП), собственно изготовления и повышения качества создаваемых изделий при переходе к производству новых изделий в промышленности.

К основным видам технологий послойного синтеза, применяемым сейчас в промышленности можно отнести следующие:

  • стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus);
  • технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов);
  • EBM (Elektron Beam Melting – электронно-лучевое плавление);
  • технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити);
  • технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling);
  • технология склеивания порошков BPA (Binding Powder by Adhesives);
  • технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов);
  • технология SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску.

Прототипирование, в том или ином виде, является обязательным этапом в процессе разработки любого нового изделия. Создание качественного прототипа, максимально похожего на будущее изделие - весьма непростая задача. Приходится решать проблему точного повторения геометрической формы, собираемости, внешнего вида и поиска материалов, максимально похожих на заданные. Использование RPM-технологий в прототипировании способно на 50 - 80% сократить сроки подготовки производства, практически полностью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную, или на станках с ЧПУ.

Получение моделей деталей методами RPM-технологий минимизируют риск ошибочных конструкторских и технологических решений. В настоящее время на рынке существуют различные RPM-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако, все современные системы бп работают по схожему послойному принципу построения физической модели, который в упрощенном виде заключается в следующем:

  • средствами CAD (SolidWorks, Компас, AutoCAD) создается графическая 3D-модель детали;
  • готовая модель записывается в STL-файл (все современные CAD-системы твердотельного моделирования могут экспортировать файлы в таком формате);
  • STL-файл передается в установку быстрого прототипирования;
  • трехмерная модель разбивается на горизонтальные сечения с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием;
  • производится последовательное построение сечений детали слой за слоем снизу-вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели. Каждый последующий слой приваривается или приклеивается к предыдущему, и так до полного построения модели.

Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD- систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами. Эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, причем толщина каждого слоя равна разрешающей способности оборудования по z-координате. Обычно при разбиении дается припуск на механическую обработку. Построение детали происходит послойно до тех пор, пока не будет получен физический прототип.

Сами технологии создания прототипов бывают различными. Что касается литейного производства, то промышленности широкое распространение получили технологии бп на основе лазерной стереолитографии, лазерного спекания. Применение этих технологий позволяет непосредственно получать копии требуемой детали, минуя стадию традиционного изготовления деревянной оснастки. Модели выращиваются из синтетических материалов и затем используются для получения литейных форм, либо в качестве литейной оснастки для формовки, например, песчаных форм. С помощью лазерной технологии могут быть получены также и песчаные стержни любой сложности. Выращивание моделей открывает неограниченные возможности в технологии литья металлов, позволяет реализовать конструкции, ранее недоступные вследствие технологических ограничений.

Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой.

Так слой за слоем воспроизводится полный набор сечений модели повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может оказаться, что отдельные элементы «повисают» в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать такой проблемы, 3D модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек на каждый такой элемент. Основным различием между технологиями прототипирования является прототипирующий материал, а также способ его нанесения.

Стереолитография является самым первым и наиболее распространенным методом прототипирования, во многом благодаря достаточно низкой стоимости прототипа. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения. SLA-технология позволяет очень быстро и очень точно построить модель изделия. Качество поверхностей весьма высокое и при необходимости может быть дополнительно улучшено, поскольку «зафиксированный» фотополимер хорошо обрабатывается, и поверхность может быть доведена до зеркальной.

Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Жидкий пластик затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый жидкий слой наносится на затвердевший слой, и новый контур «обрабатывается» лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели, т.е. пластиковой копии детали.

Используется достаточно твердый, но хрупкий полупрозрачный материал, подверженный короблению под влиянием атмосферной влаги. Материал легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Качество поверхностей без доводки хорошее.

При лазерном спекании модели или готовые детали создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае, в отличие от SLA-процесса, лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствии с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и некоторые металлы.

Методы бп, кроме создания физической модели про электронной модели, могут потребовать новых подходов к процессу проектирования деталей.

В результате применения метода EBM для создания детали из металлического порошка (на переднем плане) удалось вдвое уменьшить вес по сравнению с деталью, изготовленной традиционными методами (на заднем плане) (рис.7).

Деталь из металлического порошка

Рис.7. Детали из металлического порошка

Используемое при проектировании программное обеспечение CAE позволило определить, где части должны нести нагрузки и места, где материал может быть удален, позволяя снизить вес вдвое без потери прочности. Это экономит электроэнергию, металл, и деньги. Сложные изогнутые формы, получаемые в результате, достаточно сложно было бы отлиты или вырезать из заготовки, даже на самом передовом оборудовании с ЧПУ.

Для создания прототипов существует большое количество методов и типов оборудования. В зависимости от поставленных задач и выбираются эти методы. Они могут работать одновременно или последовательно на выполнение основной задачи. Так, создавая облик детали из смолы, мы имеем возможность проверить ее изготовление из металла и в случае положительно ответа запустить ее в производство.

В тоже время широкое применение современных методов прототипирования в авиации сдерживается по многим причинам:

  • высокая стоимость оборудования;
  • отсутствие собственных разработанных установок и материалов для создания прототипов, отсутствие обученного персонала для проведения работ, отсутствие рекомендаций по методам проектирования деталей, предназначенных для прототипирования.

Для этих целей существует ряд установок, предназначенных для создания прототипов и деталей методами RPM технологий (рис. 8).

Установки для создания прототипов

Рис.8. Установки для создания прототипов

Применение методов RPM показывают их широкие возможности. Методами бп и производства можно создавать:

  • Панели для систем управления пограничным слоем;
  • Колеса турбин и компрессоров миниатюрных ГТД;
  • Зубчатые колеса и шкивы с подачей СОЖ непосредственно в пятно контакта;
  • Сверхлегкие миниатюрные детали механической проводки миниатюрных устройств;
  • Высокопрочные сверхлегкие болты большого диаметра;
  • Экспериментальный режущий инструмент;
  • Приемники воздушного давления сложной формы и сложной системой внутренних каналов;
  • Кронштейны для навески оборудования с полостями;
  • Предназначенными для установки измерительных датчиков;
  • Фильеры для бесконтактного смешивания реактивов;
  • Детали воздухозаборников для гиперзвуковых самолетов.

Материалы и инструменты для макетирования. Приспособления и материалы

В качестве материалов для макетирования используется картон и бумага – наиболее доступные материалы, из которых можно сделать любой макет, включая пластические формы в технике папье-маше, легко придать любой цвет и получить любую фактуру. Также используются гофрокартон, пенокартон, пенопластик.

Для изготовления макетов мебели в масштабе 1:10, 1:5, 1:1, планировочных макетов, макетов интерьеров используют древесину хвойных и лиственных пород. Кроме массива древесины применяют клееную фанеру различной толщины, шпон (лущеный и строганный), древесноволокнистые, древесностружечные и столярные плиты.

Для изготовления макетов часто употребляются листовое органическое стекло, целлулоид, сополимеры стирола, пенополистирол, пенополивинил- хлорид, пенопласт, вспененный полиэтилен и др. Используя пластичность полимерных материалов, можно выполнять различные макеты, добиваясь высокого художественного эффекта. Жесткие пенопласты обладают малым объемным весом и хорошо обрабатываются, в связи с этим их применяют для изготовления рабочих макетов мебели, планировочных макетов и макетов интерьеров в любых масштабах.

Металлы (проволоку, жесть, трубку) используют при макетировании различных каркасов, оснований, ажурных композиций. Клеи применяют в зависимости от вида материала и характера соединения его с другими материалами.

Отделочные материалы необходимы для придания макету наибольшей выразительности. К ним относятся краски (гуашь, темпера, масляные), эмали, лаки, красители (минеральные и анилиновые). Их наносят кистью, тампоном или пульверизатором. В макетах используют также ткани, керамику, стекло, нитки и элементы растительности.

Макетирование из бумаги и картона

Бумага и картон – наиболее распространенные материалы для создания макетов, особенно в учебном процессе. Объясняется это их простотой в обращении, доступностью и экономичностью, а также высоким набором выразительных средств. Бумага и картон для макетирования должны обладать одновременно достаточной жесткостью, чтобы обеспечить прочность макета, и, вместе с тем, достаточной пластичностью для передачи характера формы поверхности.

Для макетирования из бумаги и картона потребуются следующие инструменты:

  • Белая бумага и картон, цветная бумага и картон, целлулоидные пленки;
  • Макетный нож;
  • Ножницы;
  • Клей;
  • Металлические линейки различной длины. Пластиковые линейки для макетирования не годятся, т.к. они быстро портятся макетным ножом, деформируются в процессе эксплуатации;
  • Прямоугольные треугольники с углами 30°, 60° и 45°;
  • Лекала различной формы для вычерчивания кривых линий;
  • Специальная доска из пластика, фанеры или ДВП для предохранения рабочей поверхности стола от порезов;
  • Набор чертежных инструментов;
  • Карандаши твердостью ТМ, Т, 2Т, 3Т по российским стандартам или твердостью НВ, Н, 2Н, 3Н по зарубежным стандартам;
  • Резинки мягкие.

Инструменты, используемые для макетирования, должны быть хорошего качества, всегда чистые, и исправные – это залог успеха в макетировании.