Конспект лекций по дисциплине Физико-механические методы обработки для студентов специальности 090202 «Технология машиностроения» всех форм обучения - страница 16

^

Быстрое прототипирование


Физическая сущность
Идеология ускоренного формирования изделия (модели, прототипа) базируется на следующих принципах:

  1. возможности компьютерного проектирования изделия, компьютерной оптимизации его конструкции, исходя из требований дизайна, функциональных и др. свойств:

  2. трансформации трехкратной модели в совокупность послойных моделей:

  3. возможности воспроизвести эту совокупность послойных моделей, т.е. материализовать всю модель как единое целое как твердотельное изделие или его прототип

Но главное достоинство состоит в том, что идея способа генеративного (послойного) изготовления является объединяющий, интегрирующий процессы моделирования, создания инструментального обеспечения и изготовления.
В настоящее время используется несколько технологий быстрого прототипирования. Среди них:
- стереолитография, отверждение на твердом основании,
- нанесение термопластов,
- распыление термопластов,
- лазерное спекание порошков,
- моделирование при помощи склейки.

^ 3D collaboration and decision Center

(3D cadCenter) – центр виртуальной реальности для совместной работы и принятия коллективных решений.

3D virtual interactive prototyping Center

(3D vipCenter) – центр виртуальной реальности для виртуального интерактивного прототипирования. Рассчитан на 1-2 человека, в случае комплектации системой трекинга, позволяет воспринимать 3D графику аналогично голографии.
Недостатки технологий БП:
- Относительно высокая цена установок и расходных материалов.
- Невысокая точность
- Относительно низкая прочность моделей
Цена – 1$ за см3
Толщина стенки не менее 1 мм.
История
Примерно с начала 1980-х начали интенсивно развиваться технологии формирования трёхмерных объектов не путём удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путём постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трёхмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии известны под разными терминами, например, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Aided Rapid Prototyping)
Технические подробности
Применительно к САПР и автоматизированной подготовке производства, включает современные прогрессивные компьютерные технологии изготовления физических прототипов деталей. В таких отраслях промышленности, как автомобиле- и самолетостроении, электронике, медицине, где создаются сложные машины и оборудование, изготовляется множество экспериментальных образцов моделей и макетов деталей, требующих много времени для конструирования и изготовления. Технологии быстрого прототипирования позволяют сократить срок изготовления изделия (модели) в 10-100 раз за счет быстрого экономичного преобразования в изделие (модель) результаты автоматизированного проектирования, исключая необходимость изготовления чертежей.
Разработанные к настоящему времени способы материализации теоретических моделей различны по многим признакам и технологическим возможностям, однако, всем существующим способам присущим следующие общие признаки:

  1. ^ Способ стериолитографии (SL)



Стереолитография

Представляет собой технологию для изготовления твердых полимерных объектов путем последовательного "наращивания" одного над другим тонких слоев материала (рис. 57), отверждаемого в специальной жидкости-фотополимере под действием ультрафиолетового или лазерного излучения. Излучение, освещающее поверхностный слой жидкости, используется для формирования твердого элемента в форме поперечного сечения разрабатываемого объекта. После этого объект отодвигается по программе от поверхности жидкости на толщину одного слоя и формируется очередной элемент, соединяемый непосредственно с предшествующим слоем, образуя разрабатываемый объект. Процесс продолжается до тех пор, пока объект не будет сформирован.
При SL геометрическое воспроизводство детали осуществляется послойно дисперсионным отвердителем жидкого фотополимера с помощью UV лазера (фотополимеризация).
Обычные толщины слоя составляют 0,05 до 0,2 мм. На основе 3Д-CAD данных для отдельных плоскостей сечения разрабатываются управляющие программы для XY-сканирования поверхности жидкого фотополимера.
Изделие строится постепенно на платформе носителя, которая находится к началу обработки непосредственно под поверхностью полимера. Луч лазера, управляемый компьютером, проходит по поверхности жидкого полимера, «сканируя» ее часть в соответствии с конфигурацией первого слоя изделия.

Рис. 57. Пример сложнопрофильного прототипа, полученного по способу SL: 1 – подвижная платформа; 2- лазер; 3 – зеркала; 4- изделие; 5- жидкий фотополимер; 6 – ванна.
Происходит дисперсионное отвердение этого слоя жидкого фотополимера. Полимеризация инициируется лазерным излучением или излучением ртутных и люминисцентных ламп. Эти излучения в жидкой реакционно-способнной среде порождают активные центры (радикалы, ионы, активированные комплексы), которые при взаимодействии с молекулами мономера вызывают рост полимерных цепей, ведущих к фазовому изменению облученной среды – отвердению.
После этого платформа носителя опускается на величену, равную толщине твердого слоя. Так последовательно происходит воссоздание трехмерной геометрии изделия.
Стериометография связана с фотополимерами, а значит, относящиеся к ним светочувствительные свойства доминируют над всеми другими свойствами материала, такими как твердость, эластичность, температурная стойкость. Поскольку последнее, в общем, не совпадает со свойствами серийных материалов, заготовок, должны быть поочередно включены методы завершения: литья, покрытия и др, из чего следует, что процесс стереометографии – двухступенчатый. На первой ступени в полимерной ванне стереометографического устройства возникает в период изготовления еще относительно мягкая модель, требующая установки «опор» в свободнонесущей структуре, которые подготавливаются в ходе предпроцесса и после окончания изготовления должны быть удалены вручную. Изготовленные модели должны быть почищены растворителем и окончательно закалены в печи. Эти операции чистки, удаления поддерживающей конструкции и закалки происходят вне стереометографического устройства и определяют вторую ступень процесса.
SL-метод сегодня является самым точным. С его помощью можно изготовить очень сложные геометрические поверхности с внутренними пустотами, тончайшими стенками и отверстиями в субмикрообласти.
SL-метод не только точнейший и самый известный RP-метод, но и наиболее распространенный в мире. 50% всех RP – устройств приходится на стериометографию. Типичным примером для способа SL являются корпусные детали. Сложные тонкостенные изделия изготавливаются с высокой точностью и качеством.
Прототип служит для проверки конструкции, перепроверки эргономики и дизайна, производства и монтажа, а также для коммуникации, аргументации при переговорах с предприятиями поставщиками.

  1. ^ Способ избирательного спекания (SL S)



Исходный материал – порошкообразные полиамиды, поликарбонады, полистирол, сплавы никеля и бронзы, стали и др. подобно жидкому полимеру (способ SL) порошок заполняет ванну или послойно наносится на подвижную платформу. Луч СО2 – лазера сканирует поверхность порошка в соответствии с конфигурацией первого сечения и обуславливает локальное избирательное спекание порошковой массы (рис.58). Управляющие данные для лазера вводятся как и в предыдущем способе, исходя из 3D-CAD геометрии. Исходный материал послойно в виде порошковой массы при помощи сглаживающих роликов наносится на платформу носителя. Управляемый сканера луч лазера шлакует (локально расплавляет) порошок в прилежащих к построенной структуре областях.
Исходный материал – порошкообразные амиды, поликарбонады, полистирол, сплавы никеля и бронзы, стали и др. подобно жидкому полимеру (способ SL) порошок заполняет ванну или послойно наносится на подвижную платформу. Луч СО2 – лазера сканирует поверхность порошка в соответствии с конфигурацией первого сечения и обуславливает локальное изберательное спекание порошковой массы. Управляющие данные для лазера вводятся, как и в предыдущем способе, исходя из 3D-CAD геометрии. Исходный материал послойно в виде порошковой массы при помощи сглаживающих роликов наносится на платформу носителя. Управляющий от сканера луч лазера шлакует (локально расплавляет) порошок в прилежащих к построенной структуре областях близлежащий порошок принимает при этом заданную форму детали. Производство детали происходит послойно. Платформа носителя циклично двигаться вниз. После окончания изготовления последнего слоя изымается изделие и подвергается специфической применительно к нему обработке.

Рис. 58. Избирательное лазерное спекание (SL S) 1- рабочая камера; 2 – подающие картриджи; 3 – СО2 – лазер; 4 – оптическая сканирующая система; 5 – сглаживающий ролик; 6 – изделие; 7 – полимерный порошок; 8- платформа.

  1. ^ Способ изготовления слоистых объектов (LOM)



При LOM слои изделия вырезаются один за другим из отдельных листов клейкой бумаги или фольги (листовой) из металла, керамики, композитов и соединяются вдоль срезов при помощи лазера.

Рис. 59. Получение модели наращиванием слоистого материала. 1-обработанный материал; 2-лазер; 3- сканирующая система; 4- обойма; 5 – термовалик; 6 – листовой материал; 7 – платформа
Исходные данные рассчитываются для каждого слоя в 3Д формате CAD данных о конструкции и передаются на лазер. В вертикальном направлении на платформу накладываются друг на друга и прижимают отдельные листы фольги. Луч лазера проникает только на определенную глубину. Точное фокусирование луча лазера и управление от CAD гарантирует, что будет вырезаться слой только на определенную глубину. Не принадлежащие области продукта части листов фольги разрезаются на прямоугольники, чтобы их легче можно было удалить. Модель образуется послойным наращиванием отдельных листов (слоев), в результате чего возникает точная трехмерная модель. После окончания формообразования изделие нужно удалить не принадлежащие к области детали площади. Полученную поверхность нужно доработать соответственно требованиям вручную.

  1. ^ Способ моделирования оплавлением (FDM)



Формообразование детали происходит при помощи экспозиции, а через нагревающее сопло происходит растапливание исходного материала (рис.60). Намотанный на катушку материал, перемещаясь через нагревательное устройство, подводится к соплу, управляющему от координатного механизма. Расплавленный в камере материал выдавливается на платформу носителя. Намотанный на катушку материал, перемещаясь через нагревательную камеру подводится к координаторному соплу, которое управляется в соответствии с 3Д-CAD геометрией изделия. Пластичный материал выдавливается на платформу, образуя первый слой изделия Проволока нагревается до температуры близкой к температуре плавления материала.

Рис. 60. Способ моделирования оплавлением (FДМ). 1 – суппорт; 2 – платформа; 3- деталь; 4- координаторное сопло; 5- нагревательная камера; 6 – головка FДМ ; 7 – механизм подачи проволоки; 8- бухта с проволокой.
В общем случае толщина слоя составляет от 0,025мм до 1,25мм, а толщина стенки между 0,22мм и 6мм. После изготовления первого слоя платформа опускается, и производят следующий слой. Применяемые материалы – термопласты, металлы, воск.

^ 5. Способ моделирования по принципу трехкоординатной (трехмерной) печати (3D Printinq, TDP)


Способ, основанный на этом принципе, напоминает SLS-способ. На подвижной платформе распределяется слой зерен порошка. Инжектор растапливающего сопла, управляемый от XY-данных, полученных при компьютерном расчете слоистой модели, подает на каждую точку жидкое связующее, скрепляющее порошок в слое в этом листе. Так формируется первый слой. Так формируется первый слой – нижнее сечение модели. Платформа опускается на величину шага между первым нижним и вторым нижним сечением. Дозировано наносится второй слой порошка такой же толщины. Снова инжектор подает жидкое связующее по программе и формируется второй нижний слой. Повторением такого цикла постепенно формируется модель снизу вверх. В ванне, наполненной порошком, скреплен связкой и затвердевающий объем в форме соответствующей 3D-CAD модели. После завершения процесса лишний порошок отсасывается из ванны. Таким образом, система работает как трехмерный принтер.
Изготовленные твердотельные модели после доработки могут использоваться непосредственно для тиражирования, проверки всей конструкции, например, собираемости и т.д.
Применяемые материалы – минералы, крахмал, керамика, целлюлоза, гипс, полистирол. Способ характеризуется высокой скоростью.
В настоящее время 3Д-принтер рассматривается как самый дешевый и удобный в применении вариант RP. Малые габариты, возможность размещения в обычном офисе рядом с системами CAD и интернет, возможность цветного изображения позволяют рассматривать эти принтеры как периферийное оборудование к компьютерам.
Имеется сообщение об успешном применении этой технологии для послойного изготовления таблеток медтехнологии (20 тыс. таблеток в час), а также для производства структуры костей, сухожилий, хрящей, имплантантов с использованием живых клеток и биоматериалов.
Скорость изготовления с 5-10 раз выше, чем при других находящихся на рынке системах до 50мм конструктивной высоты в час.

  1. ^ Способ многофазного отвердения (MYS)



Конструкционный материал нагревается в камере растапливания до температуры плавления и пропускается через форсунку (рис. 61).

Рис. 61. Схематическое изображение MYS- способа. 1– растапливающая камера 2–форсунка
Управление температурой согласовано при этом так, чтобы расплавленный материал покрывал поверхность необходимым слоем. Способ основан на образовании слоя посредством форсунки распределяющей растапливаемый материал по поверхности. Есть сходство с FDM – способом, отличие заключается в способе подачи необходимого материала и в самом материале.
При MYS-способе прототипы изготавливаются из низкоплавких металлических сплавов, сталей, титана, керамики. Исходный материал может использоваться и в порошкообразном состояние. В каждом случае материал нагревается до температуры, близкой к температуре ликвации, и, управляемый компьютером, через форсунку выливается и застывает в течение нескольких секунд. Еще горячий материал растапливает (разогревает) поверхность предыдущего слоя и таким образом осуществляется неразъемное соединение слоев.

  1. marianskie-lazn-e-l-echenie.html
    marianskie-lazne-gostinici-v-saranske-3-gostinici-v-moskve-4-gostinici-v-sankt-peterburge-6.html
    marianskie-lazni.html
    maribel-vazquez-proposal-for-a-ph-d-program-in-engineering.html
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат
    Реферат