Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

3.7.3 Комплекс энергетических признаков

В первую очередь обращено внимание на энергетический аспект

ИГТ. В энергетический комплекс признаков ГТ включено 6 групп.

Вид энергии, непосредственно подводимой к объекту (на границе

объекта и окружающей среды). Группа 1 характеризует вид энергии,

непосредственно подводимой к объекту (изготавливаемому изделию):

1.1 - тепловая BPM, FDM, MJM, MJS, SLS;

1.2 - механическая BPM, DMD, FDM, LENS, MJM, MJS. TDP;

1.3 - электрическая 3DW;

1.4 - светолучевая SGC;

1.5 - лазерная DMD, GPD, HIS, LENS, LOM, RMPD, SLA, SLS.

В данной группе рассматривается энергия на границе объекта и

окружающей среды, идущая на подготовку наносимого материала к

формообразованию. Возможны варианты использования нескольких видов

энергии в одном RP способе: BPM, DMD (нагревание термопластичного

материала и его направленное набрызгивание) и др. Механическая энергия

используется для всех случаев подачи материала из сопел (форсунок). Для

LOM (ламинирование) механическая энергия на прокатку валиком при

склеивании не учитывается, также как и для всех вспомогательных

технологических процедур, связанных с выравниванием слоев до (SLS)

или после (SLA) формирования.

Энергия, определяющая образование формы. Группа 2

характеризует энергию, определяющую физический механизм

формообразования:

2.1 - тепловая (нагрев-охлаждение) 3DW, BPM, DMD, FDM,

LENS, MJM, MJS, SLS;

2.2 - химическая (склеивание слоев) LOM, TDP;

2.3 - фотохимическая (при воздействии лучевой энергии) GPD,

HIS, RMPD, SGC, SLA.

Распределение энергии во времени. Группа 3 определяет характер

поступления энергии к объекту:

3.1 - непрерывный, в течение всего процесса (нагрев-охлаждение)

BPM, FDM, HIS, MJM, MJS, RMPD, SGC, SLA, TDP;

3.2 - пульсирующий (силовые электросварочные установки) 3DW;

3.3 - импульсный DMD, GPD, LENS, LOM, SLS.

Применительно к методам, использующим луч лазера, признаки

данной группы соответствуют характеристикам лазерного излучения,

подаваемого в зону формообразования.

Подвод энергии и распределение ее в пространстве, занимаемом

объектом. Группа 4 определяет характер подвода и распределения

энергии:

4.1 - точечный (воздействие отдельных частиц, вылетающих из

сопла) BPM, DMD, LENS, MJS;

4.2 - линейный (криволинейный - сканирование поверхности лазером

непрерывного действия) FDM, SLA;

4.3 - поверхностный (воздействие лампой ультрафиолетового света)

MJM, RMPD, SGC;

4.4 - объемный (термическая постобработка) SLA;

4.5 - точечно-линейный (сканирование поверхности импульсным

лазером) 3DW, LENS, LOM, MJS, SLS;

4.6 - точечно-поверхностный (интегрированное воздействие частиц,

вылетающих из сопла) BPM, DMD, GPD;

4.7 - точечно-объемный (лазерная энергия отвердевания

фотополимера в интерференционных узлах голографического

пространственного образа) HIS.

Энергоемкость процесса формообразования. Группа 5

характеризует энергоемкость процесса:

5.1 - минимальная энергоемкость HIS, RMPD, SGC, SLA, TDP;

5.2 - низкая энергоемкость BPM, FDM, MJM, MJS, SLS;

5.3 - средняя 3DW, DMD, LENS, LOM;

5.4 - высокая GPD.

Верхней границей первого энергетического уровня является энергия

фотополимеризации. Второй энергетический уровень включает методы,

при которых нарушаются силы связи только между относительно

небольшой частью молекул и атомов. Поэтому при втором энергетическом

уровне (верхней границей является энергия плавления материала объекта)

для преодоления сил связи требуются относительно малые энергии.

Типичными представителями этой группы будут методы пластического

деформирования и обработки резанием. Третий энергетический уровень

включает виды обработки с диапазоном энергий от величины плавления до

величины испарения. Четвертый энергетический уровень превышает

энергию испарения обрабатываемого материала. Сюда относится способ

GPD (Gas Phase Deposition) – осаждение из газовой фазы.

Зоны поглощения энергии. Генеративные технологии обладают

разнообразными технологическими признаками, имеющими различную

энергетическую основу. Поэтому представляется полезным их

классифицировать по характеру зон поглощения энергии и плотности ее

потоков (группа 6):

6.1 - единая сфокусированная DMD, LENS, LOM, SLA, SLS;

6.2 - множество локализованных BPM, GPD, MJM;

6.3 - объемная в элементарном слое FDM, RMPD, SGC;

6.4 - объемная MJS;

6.5 - макрообъемная 3DW, HIS.

В процессе индукционной наплавки погружением детали в

расплавленный металл толщина формируемого слоя зависит от

адгезионного взаимодействия расплава и наращиваемой поверхности

детали. Заполнение пор – от условий смачивания. Площадь наращиваемой

поверхности определяет объемную зону поглощения энергии в процессе

наращивания, т. е. по мере увеличения толщины слоя.

При плазменной наплавке исходного порошка толщина

формируемого слоя зависит от кинетического и термодинамического

факторов, процесс характеризуется объемной зоной поглощения энергии.

В ионно-вакуумных процессах плазма вакуумной дуги является

мощным источником ионов материала катода, устремляющихся к

подложке под действием отрицательного потенциала, приложенного к

подложке. Весь объем камеры заполнен плазмой. Ионы плазмы

бомбардируют катод, вызывая испарение с его поверхности нейтральных и

возбужденных атомов, которые в свою очередь ионизируются в дуге и

возвращаются на катод в виде ионов. В отличие от этих двух способов при

электромагнитной наплавке, например, ферромагнитного порошка

образуется не единая объемная зона поглощения энергии, а множество

локализованных зон.

Лазерная полимеризация, лазерное спекание слоев, голографическая

интерференция, термическая полимеризация по всей поверхности и другие

RP технологии являются органичной составной частью широкого класса

генеративных технологий, эффективно решающих задачи послойного

формообразования на макроуровне. Формируемые ими изделия могут

быть конечными деталями, моделями или прототипами, что

предполагает необходимость постпроцессов.

3.7.4 Комплекс материаловедческих признаков

Состав, структура и физико-механические свойства материалов,

используемых в ИГТ, имеют принципиально важное значение не только

для моделей, прототипов, но и для конечных изделий.

Виды применяемых материалов. Способы можно группировать

также по применяемым материалам (группа 7):

7.1 - фотополимер HIS, RMPD, SGC, SLA;

7.2 - термопласт BPM, FDM, MJM, SLS;

7.3 - воск MJM, TDP;

7.4 - листовой пластик LOM;

7.5 - бумага LOM;

7.6 - фольга LOM;

7.7 - керамика MJS;

7.8 - металл 3DW, DMD, LENS, MJS, SLS;

7.9 - порошок + связующее TDP;

7.10 - реактивный газ GPD.

Методы изготовления по виду и способу наращивания материала.

Группа 8 рассматривает комбинацию признаков - «исходное состояние

используемого материала» и «вид воздействия на материал»:

Жидкое исходное состояние материала;

8.1 - оплавление + отвердение BPM, FDM, MJS;

8.2 - полимеризация + свет одной частоты + лампа SGC, PP(SLA);

8.3 - полимеризация + свет одной частоты + луч лазера RMPD, SLA;

8.4 - полимеризация + свет двух частот (пространственная

голографическая интерференция) HIS;

8.5 - полимеризация + нагрев PP;

Твердое исходное состояние материала;

8.6 - плавление 3DW;

8.7 - склеивание слоев LOM;

Порошкообразное исходное состояние материала;

8.8 - 1-компонентные BPM, DMD, SLS;

8.9 - N- компонентные DMD, SLS;

8.10 - 1-компонентное + связующее TDP.

3.7.5. Комплекс технологических признаков

Технологические признаки. Генеративные технологии изготовления

отличаются широким спектром способов их реализации – спекание,

сварка, сборка, наплавка, послойное литье, окунание в расплав,

конденсация пара, газа, плазмы, синтез на кристаллической подложке и др.

Технологические признаки прямого формообразования различаются в

зависимости от агрегатного состояния технологической среды – твердого,

жидкого или газообразного. В группе 9 генеративные технологии прямого

формообразования классифицируются по технологическим признакам с

выделением 3 подгрупп, различающихся агрегатным состоянием

технологической среды:

Твердое агрегатное состояние;

9.1 - прессование, спекание слоев порошка на подложке SLS;

9.2 - послойное формирование наращиваемых объемов порошками и

др. частицами TDP;

9.3 - послойное соединение листовых двумерных заготовок LOM;

9.4 - послойное формирование и спекание оболочек из материала

детали DMD, PP;

9.5 - послойное соединение порошков и др. частиц для создания

оболочковых форм 3DW, PP;

9.6 - спекание, сварка послойно сформированных заготовок 3DW;

9.7 - сборка из объемных трехмерных частей единой детали

(неразъемное соединение) SLA, TDP;

Жидкое агрегатное состояние;

9.8 - послойное формирование детали или ее поверхностных объемов

наплавкой 3DW;

9.9 - послойное формообразование изделия каплями расплава MJS;

9.10 - послойное формообразование изделий струями расплавов

BPM, FDM, MJM;

9.11 - послойное литье по моделям растворенных и расплавленных

материалов SGC;

9.12 - послойное выращивание изделия путем полимеризации,

инициируемой облучением HIS, LENS, RMPD, SGC, SLA;

9.13 - создание оболочковых изделий струей растворов или

расплавов DMD;

9.14 - послойное наращивание одно- или многократным окунанием в

расплав материала;

Газообразное агрегатное состояние;

9.15 - формирование слоев имплантацией и осаждением пара, газа и

плазмы GPD;

9.16 - послойное наращивание объема детали осаждением пара, газа

и плазмы DMD, GPD;

9.17 - послойное осаждение потоков пара, газа и плазмы

легкоплавких материалов GPD;

9.18 - наращивание функциональных слоев осаждением пара, газа и

плазмы GPD;

9.19 - послойный синтез тугоплавких соединений осаждением пара,

газа и плазмы GPD;

9.20 - послойный синтез материала осаждением на кристаллическую

подложку из газа и плазмы GPD;

9.21 - послойное формообразование оболочек осаждением пара, газа

и плазмы GPD.

Вид среды обработки. Группа 10 характеризует среду обработки и

имеет следующие показатели:

10.1 - инертные газы 3DW, DMD, LENS, SLS;

10.2 - реактивные газы GPD;

10.3 - воздух BPM, FDM, HIS, LOM, MJM, MJS, RMPD, SGC, SLA, TDP.

Давление среды обработки. Группа 11 определяет относительный

уровень давления среды обработки:

11.1 - пониженное GPD;

11.2 - нормальное BPM, FDM, HIS, LOM, MJM, MJS, RMPD, SGC,

SLA, SLS, TDP;

11.3 - повышенное 3DW, DMD, LENS.

3.7.6 Комплекс инструментальных признаков ГТ

Понятие «инструмент» в генеративных технологиях не идентичен

такому же понятию в традиционных технологиях, например, роль

«инструмента» часто выполняет луч лазера.

Тип рабочих движений инструмента. Группы 12 14 расширяют

понятие движений формообразования. Группа 12 характеризует их тип:

12.1 - поступательное MJM, TDP;

12.2 - вращательное DMD;

12.3 - осциллирующее 3DW, BPM, DMD, FDM, GPD, LENS, LOM,

MJS, SLA, SLS;

12.4 - вероятностное SLS;

12.5 - фрактальное SLS;

12.6 - отсутствует HIS, RMPD, SGC.

Типы движений 12.4, 12.5 используются для уменьшения

температурных деформаций.

Направление рабочих движений инструмента. Группа 13

характеризует направление в системе координат изделия:

13.1 - поступательное по оси X 3DW, BPM, FDM, LOM, MJM,

MJS, TDP;

13.2 - поступательное по оси Y 3DW, BPM, FDM, MJM, MJS, TDP;

13.3 - поступательное по оси Z DMD;

13.4 - вращательное вокруг оси X DMD;

13.5 - вращательное вокруг оси Y DMD;

13.6 - вращательное вокруг оси Z DMD;

13.7 - сложное в плоскости X-Y DMD, LENS, SLA, SLS.

Периодическое движение опускания платформы по оси Z на

заданный шаг построения (толщину слоев), присущее большинству RP

способов, в данной классификационной группе входит составной частью в

движение по оси Z в принятой системе координат.

Скорости рабочих движений инструмента. Группа 14

характеризует скорости рабочих движений:

14.1 - отсутствует HIS, RMPD, SGC;

14.2 - низкая FDM, LOM, MJM, MJS;

14.3 - средняя 3DW, BPM, DMD, TDP;

14.4 - высокая GPD, LENS, SLA, SLS.

Уровень скоростей рабочих движений инструмента целесообразно

согласовать со скоростями при традиционной обработке резанием: низкая -

менее 10

-5

м с

-1

соответствует уровню линейных скоростей износа

инструмента; средняя - 10

-5

1 м с

-1

- применяемым скоростям подач; высокая -

более 1 м с

-1

- скоростям резания. В отличие от традиционных технологий для

генеративных понятие «износ инструмента» не применимо.

3.7.7 Комплекс признаков формообразования ИГТ

Комплекс формообразующих признаков был рассмотрен как

замыкающий, раскрывающий смысл принципа послойного выращивания

макроизделия. Он включает главный физический процесс, характер и

метод формообразования, объемные признаки, интенсивность

образования.

Главный физический процесс, определяющий размерное

формообразование. Группа 15 характеризует основные физические

процессы, определяющие размерное формообразование:

15.1 - плавление 3DW, LENS, SLS;

15.2 - отвердевание 3DW, BPM, DMD, FDM, LENS, MJM, MJS,

SLS;

15.3 - испарение LOM;

15.4 - конденсация GPD;

15.5 - пластическая деформация LOM, SLA, SLS, TDP;

15.6 - химическое растворение PP(SLA);

15.7 - химическое осаждение PP(SLA);

15.8 - электролиз (гальваностегия, гальванопластика) PP(SLA);

15.9 - фотополимеризация HIS, RMPD, SGC, SLA;

15.10 - направленное взаимодействие наэлектризованных или

намагниченных частиц 3DW, GPD;

15.11 - взаимодействие диспергированных частиц и связывающих

материалов TDP.

Признак 15.6 - химическое растворение - связан не с наращиванием

слоев, а с их удалением (см. группу 16)

Характер формообразования. Группа 16 характеризует основной

процесс формообразования:

16.1 - нанесение (наращивание) материала 3DW, LOM, MJM, MJS.

PP;

16.2 - изменения агрегатного состояния исходного материала

FDM, GPD, HIS, RMPD, SGC, SLA;

16.3 - направленное соединение частиц, образующих твердое тело

BPM, DMD, LENS, SLS, TDP;

16.4 - удаление материала заготовки LOM, PP.

Признак 16.4, как и 15.6, отражает возможность построения ГТ,

использующих элементы послойного снятия материала.

Метод формообразования. Группа 17 определяет метод

формирования формообразующих поверхностей:

17.1 - кинематический 3DW, GPD, HIS, LENS, LOM;

17.2 - копирования SGC;

17.3 - комбинированный BPM, FDM, MJM, MJS, RMPD, SLA,

SLS, TDP;

17.4 - адаптивный DMD.

Объемные признаки формообразования. Группа 18 расширяет

понятие элементарного объема при формообразовании:

18.1 - элементарный точечный объем (ЭТО) BPM, DMD, HIS,

SLA, SLS, TDP;

18.2 - элементарный линейный объем (ЭЛО) 3DW, FDM, LENS,

MJM, MJS;

18.3 - элементарный поверхностный объем (ЭПО) GPD, LOM,

RMPD, SGC, TDP.

Рассмотрим эти понятия более подробно.

Формообразование – это образование требуемой формы изделия,

определяемой геометрическим характером и взаимным расположением

ограничивающих ее поверхностей, а также параметрами макро- и

микрогеометрии. Если рассматривать эту задачу как технологическую, то под

формообразованием следует понимать получение твердотельного изделия

заданной формы, размеров, топографии поверхностей, механических и

физико-химических свойств, определяемых конструкторско-технологической

документацией (в т. ч. и в электронном виде).

Традиционно формообразование осуществляют формообразующие

элементы (точки, линии или поверхности), принадлежащие

твердотельному инструменту (режущему, давящему и т. п.) и

контактирующие с поверхностью изделия. Для генеративных технологий,

как уже отмечалось, потребность в традиционном инструменте отпадает,

здесь «инструментом» являются элементы технологической системы: луч

лазера, струя полимера, металла и т. д.

В RP технологиях в процессе формообразования подвижная

платформа и «инструмент» – формообразующий элемент системы –

совершают относительные перемещения, обеспечивая тем самым

формообразование изделия послойным наращиванием.

В генеративных технологиях для формообразования изделия

необходимо иметь аналитическое описание следующих основных

характеристик (свойств):

описание изделия ограничивающими его поверхностями в

3D изображении;

представление 3D CAD модели адекватной совокупностью 2D CAD

моделей;

«инструмент» с формообразующими параметрами (пятно контакта

луча лазера, диаметр сопла и т. п.);

формообразующие движения в технологической системе.

Совокупность представленных характеристик образуют модель

формообразования для генеративных технологий.

Модели формообразования могут различаться конструктивными

особенностями формообразующих элементов и формообразующими движениями.

Анализ существующих RP технологий показывает, что

формообразование изделий может быть осуществлено по трем признакам

объемов формообразования: ЭТО, ЭЛО, ЭПО.

Элементарный точечный объем (ЭТО) формируется в первую

очередь зоной контакта луча лазера с поверхностным слоем жидкого

полимера, порошка керамики, металла и др. материалов. Понятие

«элементарный объем» вытекает из особенностей генеративного процесса

формообразования изделий, так как их создание выполняется по слоям,

представляющим собой сумму конечного множества точечных и/или

линейных объемов.

Элементарный линейный объем (ЭЛО) формируется конечномерной

линией (щель, сопла) или сопряженными элементарными точками,

образующими линию. Так же как и точки, линии создают единичный слой

изделия. Последовательное объединение необходимого количества линий

формирует заданный слой изделия.

Третью группу составляют RP технологии, где формообразование

изделий происходит путем наращивания элементарных поверхностных

объемов (ЭПО). Инструмент формирует различными физическими

способами единичный элементарный поверхностный объем, после чего

происходит его соединение с предыдущим слоем создаваемого изделия.