ММК Спецтехнология ЛА 2013

Kак это происходит при ковке, штамповке, прессовании, или путем удаления материала с заготовки, как это имеет место при обработке на металлорежущих станках, а за счет послойного отвердевания поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно затвердевающих слоев. Другие названия этого метода подтверждают его компьютерную основу: настольное производство (Desktop Manufacturing), тррехмерный принтер (3D printing) и т. п.

Работа систем быстрого прототипирования основана на химических процессах, обеспечивающих превращение жидких полимеров в твёрдый материал под воздействием излучения. На изготовление опытных образцов по электронным данным компьютерной CAD-модели без применения специальной технологической оснастки требуются часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов. Путь от дизайнерской идеи и конструкторской проработки до готовой модели сокращается до нескольких часов или дней.

Использование прототипирования на 50—80% сокращает сроки подготовки производства, позволяет практически полностью исключить длительный и трудоемкий этап изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. По сравнению с известными методами получения моделей изделий, существовавшими в середине XX в., появление систем быстрого прототипирования было переворотом в технологии.

Их основной недостаток — ограниченность выбора материалов. Поскольку станки с ЧПУ способны обрабатывать большую часть доступных промышленных материалов, включая металлы. физические объекты, изготовленные методом быстрого пртотипирования, использую главным образом в качестве прототипов или шаблонов других производственных процессов.

На макете можно проверить возможность установки paзличных компонентов, эргономику разрабатываемого изделия. Маркетинговые и рекламные службы предприятия могут эффективно проводить анализ рынков сбыта, демонстрируя заказчикам и потребителям образцы будущего изделия (рис. 5.69). Кроме того, прототип помогает более точно определить стоимость изготовления будущего изделия. Специалисты, отвечающие за подготовку производства, имеют возможность на виртуальном прототипе изделия смоделировать производственные процессы и заранее предотвратить возможные проблемы. Объемную модель можно использовать для изготовления оснастки при различных видах точного литья, при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки.

Рис. 5.69. Объемная модель автомобиля, полученная с использованием технологии быстрого изготовления прототипов

Технологии быстрого прототипирования

В настоящее время существует несколько направлений и подходов, позволяющих реализовать технологии быстрого прототипирования. По используемым материалам их можно разделить на методы, применяющие жидкости (фотополимеры, электролиты, воду), порошки (спекание однородных или двухкомпонентных составов), твердые материалы (пластики, жидкие смолы, специальные порошки, воски, металлы), листовой материал (ламинированную бумагу, пластик), газы. Процессы построения образцов автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели деталей сложной конфигурации. Часть вышеназваных методов находится в стадии исследовательских разработок, часть имеет коммерческое применение.

Сейчас в разных странах используются десятки тысяч установок, позволяющих изготовить прототипы изделий практически любой степени сложности. В своем большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Крупные компании, как правило, эксплуатируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров. Небольшие компании не могут себе позволить их приобрести.

Ниже рассмотрены следующие технологии послойного получения твердой объемной модели:

1.локальное изменение фазового состояния жидких фотополимеризуюшихся композиций и их переход в твердое состояние под воздействием ультрафиолетового лазерного излучения (лазерная стереолитография);

2.засветка слоя фоточувствительного полимера;

3.лазерное спекание легкоплавкого порошка;

4.технология FDM (Fused Deposition Modeling) - послойная укладка выходящей из фильера полурасплавленной полимерной нити;

5.послойное изготовление модели системой, управляемо от персонального компьютера (ЗD-принтер).

Лазерная стереолитография

Лазерная стереолитография является одним из наиболее распространенных методов получения точных и сложных моделей опытных образцов по их чертежам в результате химического процесса, при котором жидкий полимер превращается в твердый по воздействием ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра в автоматическом режиме без участия человека. Слово «стерео» подчеркивает объемный характер процесса, который был предложен в 1984 г.

Компьютерный образ объекта рассекается на плоские тонкие (100—250 мкм) слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, и рассчитывается траектория движения сфокусированного лазерного луча (с учетом его диаметра), которая воспроизводит на поверхности жидкого полимера контуры сечения и заполняет (штрихует) его внутренние области. Толщина каждого слоя зависит от геометрии детали и разрешающей способности оборудования по вертикали. Она может составлять сотые доли миллиметра.

Лазерная стереолитография охватывает практически все отрасли материального производства — от медицины до тяжелого машиностроения. Она предусматривает следующие стадии получения опытного образца:

•проектирование на компьютере чертежа на основе объемной (3D) модели с последующим разбиением ее на тонкие поперечные слои с заданным шагом, величина которого равна нескольким сотым долям миллиметра

(рис. 5.71);

•создание файла на основе объемной (3D) модели чертежа в формате STL (этот формат данных поддерживают пакеты AutoCAD, EUCLID, CATIA, Power Solution и другие системы). Формат STL (STereoLithography —

объемная литография) получил широкое распространение как формат передачи данных на установки быстрого прототипирования. При экспорте в STL можно назначить качество модели (количество и параметры треугольной сетки) и, таким образом, получить наилучший результат);

•быстрое получение прототипа модели на специальных стереолитографических установках.

Рис. 5.71. Разбиение на тонкие поперечные слои

сзаданным шагом объемной (3D) модели:

а— изображение детали в STL формате; б — разделение детали на тонкие слои с заданным шагом; в — расчет траектории лазерного луча для каждого сечения

Ванну лазерной установки заполняют жидкой композицией. Опорная платформа, на которой «выращивается» деталь, устанавливается ниже поверхности фотополимера на расстоянии, равном толщине одного слоя. Луч лазера перемещается по заданной программе при помощи зеркал отклоняющей системы и воспроизводит первое сечение детали. В результате фотополимеризации фазовое состояние полимера в облученной области изменяется. Он переходит из жидкого состояния в твердое (рис. 5.72).

Каждый полимеризующийся слой имеет свою сложную конфигурацию. Используя разные способы облучения, можно получить полимерную пленку (плоскость), трек (линию) или керн (точку).

После формирования первого слоя опорная платформа, которая находится в емкости с жидкой фотополимерной композицией, опускается в вертикальном направлении на расстояние, равное толщине следующего слоя. Обычно шаг перемещения стола находится в пределах 0,025-0,3 мм. Затем на поверхности фотополимера воспроизводится изображение, соответствующее второму сечению детали. На некоторых слоях отдельные элементы могут «повиснуть» в воздухе, поскольку они крепятся к верх ним слоям. Чтобы избежать этой проблемы, в ЗD-модели предварительно строят систему поддержек на каждый такой элемент.