литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

большую определенного значения. В изделии могут быть предусмотрены сливные отверстия, чтобы упростить его перемещение в емкости во время формования. Из­ влеченный прототип находится, как любой частично «сшитый» материал, в размяг­ ченном состоянии и с ним надо обращаться очень осторожно.

Затем прототип устанавливают на вращающийся стол внутри аппарата для поли­ меризации, где под действием УФ-излучения большой интенсивности завершается процесс «сшивки» |22J.

В стереолитографии раньше использовались только хрупкие пластмассы, по в на­ стоящее время стали доступны более совершенные материалы с малой усадкой, плас­ тичные или даже резиноподобные. Один из наиболее эластичных материалов близок по свойствам к АБС-нластикам со средними значениями ударной прочности [11,18]. Кроме того, сейчас появились новые материалы на основе эпоксидных смол, которые имеют на порядок меньшую усадку, чем обычные материалы на основе акрила. Малая усадка дает возможность существенно повысить размерную точность прототипа [11].

Исходную модель, выполненную в С/Ш-системе, обычно корректируют, чтобы можно было установить вспомогательные опорные элементы (подпорки). Они удаля­ ются в процессе отделки.

Рис. 5.11. С/Ш-объемная модель крышки распределителя зажигания (вверху) и прототип, изготовленный по технологии SLA (внизу)

Время, необходимое для конструирования и получения прототипа, зависит от сложности изделия. Время формирования слоев может быть сокращено за счет со­ здания внутренней пористой структуры. Она заполняет пространство между внут­ ренней и наружной стенками прототипа, и полимеризация завершается в ходе по­ следующей (дополнительной) «сшивки» [9].

Изделия, отверждающиеся по традиционной технологии, напротив, содержат до 40-60% жидкого полимера между твердыми топкими стенками прототипа. Это явля­ ется причиной коробления и возникновения внутренних напряжений. Усадка и ко­ робление могут происходить даже после извлечения прототипа из аппарата полиме­ ризации. Чтобы минимизировать коробление, был разработан метод «переплетения», который позволяет быстро достигать 96-98 %-ной степени «сшивки» модели [19]. Время изготовления существенно зависит от размера прототипа и требуемой точно­ сти размеров. Размеры прототипов, изготовленных по технологии SLA, могут дости­ гать 51 х 51 х 61 см. Стандартные изделия среднего размера и средней или повышен­ ной сложности изготавливают целиком в течение нескольких часов [8, 13J. Очень большие изделия могут быть изготовлены по частям, а затем части соединяют шпон­ ками или склеивают.

Ключевым вопросом является выбор исходной ориентации прототипа изделия. Наружная сторона прототипа обычно становится верхней. Поскольку процесс основан на приращениях слоев, это приводит к появлению слоистой ступенчатой структуры на вертикальных стенках, наклонных или рельефных поверхностях. Меньший шаг прира­ щения повышает качество таких поверхностей, но увеличивает время изготовления прототипов. Плоские или перпендикулярные поверхности изготавливать проще всего.

Прототипы, полученные методом фотополимеризации, необходимо освобождать от подпорок и проводить чистовую обработку поверхности с помощью ручной песко­ струйной или дробеструйной очистки (рис. 5.12) [ 11,19]. После чистовой обработки прототипы могут быть окрашены, тонированы или декорированы (рис. 5.13) [8-10].

Рис. 5.12. Прототип до обработки (слева); прототип после обработки (справа)

Рис. 5.13. Обработанный и окрашенный прототип, полученный по технологии быстро:: прототипирования

Сейчас на рынке представлено несколько разновидностей описанной технологи] [19,23-26].

5.1.3.2. Лазерное спекание порошковых материалов

Другой технологией в области быстрого прототипирования является лазерное спекание порошковых материалов (SLS, Selective Laser Sintering®) [27]. Этот процесс в некоторой степени аналогичен SLA, поскольку, чтобы получить прототип, здесь так­ же используют мощный лазер (лазер на диоксиде углерода). В этой технологии вме­ сто жидкого фотополимера используют порошок термопласта. Эта технология по­ зволяет получать прототипы изделия из того же материала, что и само изделие [28-29]. Следует учитывать, что процессы литья и спекания сильно отличаются, и прототипы, изготовленные по SLS, не могут стать полноценной заменой отлитых моделей изделий (рис. 5.14).

Процесс лазерного спекания схематически изображен на рис. 5.15. Он начинается с создания объемной модели изделия в CAD-системе, которая затем разбивается

Рис. 5.14. CAD-объемная модель шестеренки привода (слева) и прототип, изготовленный по технологии лазерного спекания (справа)

на поперечные слои толщиной 0,005-0,020 дюймов (0,13 до 0,51 мм). После этого прототип слой за слоем воссоздается в емкости, заполненной термопластом или воском.

Стационарный лазер генерирует луч, который отражается от направляющего зер­ кала, задающего поперечное сечение х-у слоя, перпендикулярного оси z. В данном случае, в отличие от 51Л-технологии, лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его части­ цы и формирует твердую массу в соответствии с геометрией детали. Поршень, на который устанавливают опорную платформу, и формирующийся прототип опуска­ ются на шаг вдоль оси z, а емкость с порошком открывается. Новый слой порошка укладывается с помощью выравнивающего валка, затем процесс повторяется. Пре­ имущество данной технологии заключается в том, что неспекшийся порошок, окру­ жающий затвердевшие участки изделия, становится опорной структурой, поддер­ живающей слабые области изделия [19]. Теоретически для прототипирования по такой технологии может быть использован порошок любого термопласта. При этом мощность лазера должна соответствовать характеристикам его спекания. Чаще всего для 515-прототипирования используют ПК, ПА и ПВХ [15,19,28,29J.

Лазерное спекание порошковых материалов может быть использовано для изго­ товления оформляющих вставок, матриц и пуансонов при изготовлении опытных форм. Обоймы матриц и пуансонов создают напрямую за счет спекания смеси метал­ лического порошка со связующим полимерным материалом. Затем такие детали на­ гревают в печи, где они приобретают пористую металлическую структуру. После это­ го детали нагревают в медном фильтрате (медь пропитывает детали) и получают

Рис. 5.15. Схема технологии быстрого прототипирования путем лазерного спекания порош­ ковых материалов

22 Зак. 593

338 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ'.

пуансон и матрицу из плотного твердого сплава [11, 12J. Эта технология позволяет создавать за короткое время не только прототип изделия, но и опытные формы непо­ средственно из металлического порошка [19]. Износостойкость подобного «быстро­ го» формующего инструмента находится в границах между износостойкостью алю­ миния и стали Р-20.

5.1.3.3. Послойное наложение расплавленной полимерной нити

Процесс ирототииирования по технологии послойного наложения расплавленной полимерной нити (FDM, Fused Deposition Manufacturing*®) также начинается с созда­ ния разделенной на слои ЗГКмодсли, полученной в CAD-системе; толщина слоев со­ ставляет 0,001-0,050 дюймов (0,025-0,13 мм). Для получения прототипа через экструзионную головку с контролируемой температурой подается нить из термопласта диаметром приблизительно 0,050 дюймов (0,13 мм) [30]. Перемещение головки в плос­ кости х-у осуществляется с помощью компьютера (рис. 5.16). Горячий материал очень тонкими слоями наносится на неподвижное основание. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевая и соединяясь друг с другом. При изготовлении изделий сложной геометрической формы автоматически генерируются опорные элементы для нависающих фрагментов модели. Установки работают с различными «моделирующи­ ми» термопластами, которые используются и в производстве готовых изделий.

Рис. 5.16. Схема технологии прототипирования послойным наложением расплавленной по­ лимерной нити (слева); модель, изготовленная по этой технологии (справа)

FZW-установки имеют относительно несложное устройство, а простота техноло­ гии позволяет затрачивать на изготовление прототипов считанные часы (в зависимо­ сти от размера модели).

После изготовления прототип можно практически сразу использовать: ему не тре­ буется длительная дополнительная обработка [ 11,15,19,30,31].

5.1.3.4. Прототипирование склеиванием (ламинированием) слоев

При изготовлении моделей прототипов ламинированием слоев (ЮМ, Laminated Object Manufacturing®) также используется лазер на основе двуокиси углерода, на­ строенный па глубину одного слоя [32]. Материал, в качестве которого используются бумага с декоративным покрытием, полимерный или композиционный материал, находится в рулонах, из которых подается в устройство, где лазер по заданной траекто­ рии вырезает слои, соответствующие поперечным сечениям модели. Толщины листов, которые используются в дайной технологии, составляют 0,002-0,010 дюйма (0,051- 0,25 мм). Модель изготавливается послойно (с нижнего слоя до верхнего). Отдельные листы укладываются один на другой и привариваются горячим валком [ 17,19].

5.1.4.Имитация поверхности готового литьевого изделия на прототипе

Часто необходимо, чтобы прототипы изделий, изготовленные механической об­ работкой или собранные из разных деталей, имели бы тот же цвет поверхности, гля­ нец и текстуру, что и готовое изделие. Большинство формованных изделий однород­ но окрашены по всему объему и обладают блеском и текстурой, которые «создаются» при переработке. Очень трудно имитировать такую же поверхность, используя тра­ диционные методы декорирования прототипов. Конструктор может оценить внешний вид изделия, сделав контрольные отливки в форме дисков с различной окраской, текстурой и шероховатостью поверхности. Прототипы, предназначенные для марке­ тинговых оценок, подвергаются отделке и традиционной технологии окрашивания [33].

5.1.4.1. Цвет и качество поверхности готового литьевого изделия

Требования к качеству поверхности матриц и пуансонов установлены стандарта­ ми SPI1 [34] или другими нормативами.

Поверхность изделия не обязательно зеркально отображает рабочую поверхность формующего инструмента (особенно когда используются пластмассы с высокой вяз­ костью или наполненные материалы). Естественные неровности рабочей поверхно­ сти (такие как следы от впускных литников или видимые линии спая) меньше прояв­ ляются на матовой или рельефной поверхности. Для оценки влияния реального состояния рабочей поверхности формующего инструмента и параметров процесса переработки на цвет PI качество поверхности готового изделия необходимо изгото­ вить в опытной форме изделия из того же полимерного материала (со всеми требуе­ мыми ингредиентами), который будет использован в серийном производстве. Если

Society of Plastic Industry, USA — Американское общество индустрии пластмасс (производители пластмассовой продукции), США.

есть предположения, что на поверхности изделия может произойти «выпотевание» и концентрация каких-либо ингредиентов (добавок) в виде налета или выделения капель и т. п., необходимо детально отработать технологию в лабораторных условиях, для чего используют стандартные формы для получения контрольных образцов или любую «старую» литьевую форму (желательно, чтобы была возможность получать изделие с участками различной текстуры).

Идеально, если есть возможность для сравнительной оценки изготовить набор изделий с разными текстурами и шероховатостью поверхности. Прототип даст воз­ можность конструктору визуально оценить внешний вид изделия. Контрольный про­ тотип также может быть использован как хороший индикатор, отражающий влияние изменений условий переработки на внешний вид изделия. Кроме того, прототип ис­ пользуют для оценки физических свойств и усадки материала.

1Society of Plastics Engineers — Международное общество инженеров но производству, переработке

иприменению пластмасс.

5.1.4.2. Технологии имитации поверхности готового литьевого изделия на прототипе

Гладкие поверхности

Чтобы внешний вид прототипа совпадал с внешним видом проектируемого изде­ лия, модели, полученные механической обработкой, обычно шлифуются и окраши­ ваются. Для окраски могут быть использованы автомобильные краски — в виде лаков и эмалей и наносятся распылителем. При этом лаки наиболее предпочтительны, так как они создают защитную пленку отличного качества. Эмали обеспечивают лучший блеск и отличаются хорошей текучестью при распылении, но на таком покрытии чаще возникают поверхностные дефекты [33]. Мичанд описал несколько методов нанесе­ ния лаковых покрытий, которые могут быть использованы для имитации различных поверхностей [34,35]. Сначала прототип грунтуется герметиком для защиты матери­ ала от агрессивных растворителей, которые содержатся в лаке. Затем наносится грун­ товка (прочная твердая краска), которая создает на поверхности необходимую шеро­ ховатость. Рекомендуется использовать грунтовки светло-серого цвета, поскольку они лучше отражают свет.

Глубокие царапины можно устранить нанесением шпаклевки или нескольких сло­ ев грунтовки. Затем на загрунтованную поверхность наносят покрытие на лаковой основе. Белое покрытие лучше подходит для создания поверхности пастельных то­ нов, а темно-серая грунтовка используется для темных тонов. Поверхность прототипа