Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

100

3.7.8 Примеры приложения принципов классификации к

генеративным технологиям макроуровня

Ранее рассмотрены технологии, которые в литературе относят к

идеологии Rapid Prototyping. Предложенная классификация позволяет

использовать рассмотренные признаки применительно к существенно более

широкому кругу технологий, в том числе к генеративным технологиям микро- и

наноуровня. Рис. 3.18 дает представление о возможностях применения

предложенного подхода к таким технологиям, как ионно-плазменный синтез

слоев, плазменная наплавка, сварка послойно сформированных заготовок,

электромагнитная наплавка, индукционная наплавка погружением,

ультрафиолетовая полимеризация по площади сечения и др.

Предложенная классификация позволяет с единых позиций

рассматривать и оценивать характеристики различных технологических

процессов послойного выращивания изделий или их поверхностных слоев.

Макро-

объемная

Множество

локализован-

ных

Объемная в

элементарном

слое

Объемная

Лазерная

полимериза-

ция

Лазерная

контурная

обрезка

Лазерное

избиратель-

ное спекание

Послойный

синтез

осаждением

на кристалли-

ческую

подложку

Ионно-

плазменный

синтез слоев

Электромаг-

нитная

наплавка

УФ

полимериза-

ция по

площади

сечения

Лазерная

полимериза-

ция по

площади

сечения

Термическая

полимериза-

ция по

площади

сечения

Индукцион-

ная наплавка

погруже-

нием

Плазменная

наплавка

Селективное

отвердение

жидкого

материала

после

экструзии

Голографи-

ческая

интерферен-

ция

Сварка

послойно

сформиро-

ванных

зоготовок

Единая

сфокусирован

ная

Классифицируемые признаки по зонам поглощения.

Рисунок 3.18 – Пример расширения классифицируемых технологий

по зонам поглощения

101

3.7.9 Информационная система поддержки принятия решений по

использованию интегрированных генеративных технологий макроуровня

Изложенное и мировой опыт реализации генеративных технологий

позволяют считать их важнейшим ресурсом современного производства. С

их помощью можно сократить время на создание новых конструкций и на

их отладку, на доведение продукции до рынка и на ее совершенствование,

что и позволяет ей оставаться конкурентоспособной. Для принятия

решений по эффективному применению конкретной генеративной

технологии необходимо знать области ее рационального применения и

технологические возможности.

Предложенная классификация позволила разработать

информационную систему по генеративным технологиям, которая

ориентирована на изучение особенностей и анализ возможностей

интегрированных технологий с целью принятия правильного решения при

их выборе. Основой информационной системы является разработанная

классификация и банк данных по предметной области этих технологий.

Система содержит данные по описанию и классификацию технологий,

базы данных оборудования и его технологических характеристик. Система

разработана в среде управления базами данных Visual FoxPro.

При разработке информационной системы решаются следующие

основные задачи:

- сбор, систематизация и анализ информации по интегрированным

генеративным технологиям;

- автоматизация работы с классификационными признаками

интегрированных технологий, обеспечивающая всесторонний анализ их

возможностей и рациональный выбор способа материализации

компьютерной модели изделия при решении конкретной технологической

задачи;

- формирование базы данных оборудования и его технологических

характеристик.

Главная экранная форма информационной системы представлена на

рис. 3.19. Из главной формы можно перейти к работе со следующими

подсистемами:

- информационной – описание интегрированных технологий и их

классификация;

- просмотра или редактирования баз данных классификационных

групп и признаков RP интегрированных технологий;

102

- просмотра или редактирования базы данных технологического

оборудования и его технических характеристик;

- вспомогательными (описание, настройки и обслуживание баз данных).

Информационная система предоставляет пользователю следующие

основные возможности работы:

- просматривать или редактировать сведения по генеративной

технологии, собранные из различных литературных источников, как

непосредственно в системе (только текст), так и в редакторе MS Word;

- получить информацию по классификационным признакам для

выбранной технологии;

- формировать систему классификации интегрированных технологий

- редактировать классификационные группы и признаки;

- устанавливать метки взаимосвязи интегрированных технологий и

классификационных признаков;

- работать с примечаниями пользователя к классификационным

группам и признакам;

- пополнять и редактировать базы данных оборудования и их

характеристик;

- работать со справочными данными по группам и обозначениям

оборудования.

- устанавливать закладки с комментариями на выбранные записи в

базах данных;

- устанавливать индексирование (последовательность визуального

представления) и фильтры (ограничение объема визуального

представления по заданным условиям) на записи в базах данных, что

обеспечивает пользователю эффективную работу с информацией.

Работа с

базой

данных

оборудо-

вания

Описание интегрированных

технологий и их классификация

Работа с формированием класси-

фикационных групп и их признаков

Обслужи-

вание баз

данных

Настройка

для запуска

MS Word

Рисунок 3.19 – Главная экранная форма информационной системы RP

интегрированных технологий

103

Разработанная информационная система относится к обучающим

прикладным программам, которые ориентированы на изучение

особенностей и анализ возможностей интегрированных генеративных

технологий. Основой информационной системы является классификация и

банк данных по предметной области ИГТ. Система содержит данные

описания и классификационные признаки всех комплексов, оборудования

и его технологических характеристик.

3.8 Примеры систем генеративных технологий

3.8.1 Система лазерной стереолитографии на базе установки

SLA 5000

Система лазерной стереолитографии является основным

оборудованием, использующимся в исследованиях и изготовлении. Она

включает установку SLA 5000 фирмы 3D Systems (США); компьютерную

станцию подготовки процесса; камеру PCA 500 для окончательной

полимеризации изделия, выращенного из фотомономера; вакуумную

камеру производства физико-технического института НАНУ (Харьков);

низкотемпературный шкаф; моечную камеру.

Установка SLA 5000 (рис. 3.20) относится к новому поколению

систем ускоренного формообразования изделий. Она включает

твердотельный лазер

Nd:YVO

мощностью не менее 216 мВт и длиною

волны 354,7 нм, систему фиксированных перемещений платформы,

которая обеспечивает получение толщин слоев в пределах 0,05 0,15 мм,

оптическую систему управления лазерным лучом с диаметром светового

пятна 0,23 0,28 мм и скоростью сканирования до 5,0 м/с, ванну объемом

253,61 литра. Допустимый вес построенного изделия составляет 68,04 кг

при максимальных габаритах 508 508 584 мм (X Y Z).

Компьютерная станция подготовки процесса при работе с STL-

файлом выполняет следующие функции:

рациональное размещение изделия перед построением на рабочей

платформе;

трансформация 3D CAD модели в совокупность 2D CAD плоских

сечений (с заданными толщинами слоев), при одновременном контроле

качества описания исходной модели по сечениям (соблюдение условий

непрерывности поверхности и контроль минимально допустимой толщины

стенок изделия);

104

Установка лазерной

стереолитографии SLA-5000

и управляющая

компьютерная станция

Рабочая станция подготовки

процесса

Камера ультрафиолетового

отверждения РСА-500

Вакуумная камера

Рисунок 3.20 – Система лазерной стереолитографии на базе установки SLA-5000

105

подготовка программы управления движением лазерного луча,

определение параметров процесса, ориентации модели, автоматическое

или в ручном режиме создание элементов поддержки (технологических

опор).

Компьютер системы управления установкой SLA 5000 обеспечивает:

автоматическое управление и контроль процесса послойного

построения изделия;

визуальный контроль за текущими параметрами построения

(начало и конец времени построения, мощность лазера, степень

выполнения и др.);

автоматическое выключение установки в случае завершения или

отклонения от заданных условий построения.

Камера РСА 500 предназначена для окончательной полимеризации

изделия. Она оснащена источниками ультрафиолетового излучения – 8

флуоресцентных ламп общей мощностью 640 Вт, а также рефлекторными

зеркалами. Изделие помещается на столе 800 мм, который вращается со

скоростью 1 об/мин. Рефлекторные зеркала обеспечивают равномерное

освещение объекта.

В вакуумной камере выполняются работы с рабочими смесями при

изготовлении гибких (силиконовых) пресс-форм на этапе тиражирования.

Низкотемпературный термошкаф предназначен для термообработки

изготовленного изделия с целью повышения его механических свойств

после полного отвердения, а моечная камера для промывки готовых

изделий и удаления технологических опор после построения.

Процесс построения представляется таким образом. Луч лазера

мощностью P

пропускается через оптическую систему и с помощью

сканирующего управляющего зеркала попадает на поверхность жидкого

фотомономера. Для обеспечения высокой точности положения луча

механизм сканирования имеет малую инерционность и время

запаздывания.

Время, требуемое для полимеризации, зависит от спектральных

характеристик фотомономера, характеристик лазерного луча (длина волны,

мощность P

, диаметр луча D

) и скорости его перемещения по

поверхности фотополимера (скорость сканирования V

Процесс отвердения фотополимера зависит от количества

полученной оптической энергии в области фокусирования лазерного луча.

Фокусирование лазерного луча происходит на поверхности фотомономера.

Однако с учетом полупрозрачности фотомономера лазерный луч

106

проникает и на определенную глубину. Время, требуемое для отвердения

слоя под формируемым сечением, зависит от спектральных характеристик

фотомономера, связанных с его вязкостью и поверхностным натяжением.

Перемещаясь со скоростью V

по поверхности фотомономера,

лазерный луч мощностью P

обеспечивает экспозицию E

max

, которая

определяется по следующей зависимости:

max

ЛЛ

, (3.1)

Экспозиция фотополимера определяется как произведение

плотности мощности лазерного излучения на выдержку (время

экспозиции). Поскольку реальный процесс формирования поверхности

фотополимера производится при непрерывном сканировании лазерным

лучом, целесообразно в качестве выдержки рассматривать максимальное

время воздействия на элементарную площадку.

Максимальное время воздействия

max

лазерного луча диаметром D

на элементарный участок фотополимера длиной dL при скорости

сканирования V

определяется зависимостью:

Л Л Л

lim

max

D dL D dL D

V V V

. (3.2)

Глубина отвердения фотомономера зависит от экспозиции и

актиничности лазерного излучения. Уравнение, определяющее глубину

отвердения фотополимера h

отв

в зависимости от величины экспозиции E,

имеет следующий вид:

отв

ln , 1; 0

hh иначе

, (3.3)

где E

- пороговая экспозиция, при которой фотополимер переходит из

жидкого состояния в квазитвердое; h

- коэффициент, равный глубине

отвердения фотополимера при экспозиции, в e раз превышающей

пороговую экспозицию (e - основание натурального логарифма).

Построение изделия проводится в следующем порядке. Исходное

положение – платформа устанавливается под поверхностью жидкого

фотомономера на расстоянии, равном шагу, с которым 3D CAD модель

рассекалась параллельными плоскостями. Уровень этой поверхности

соответствует фокусировке лазерного луча. Управляющий компьютер

обеспечивает перемещение выравнивающего ножа в пределах габаритов

формируемого сечения.

107

После завершения сканирования требуемого сечения вначале по

контуру, а затем по площади и опускания платформы на требуемый шаг

производится нивелирование поверхности жидкого фотомономера

выравнивающим ножом. Цикл повторяется многократно до завершения

формирования изделия. После этого платформа поднимается над

поверхностью жидкого фотомономера, производится операция удаления

его остатков, очистка и промывка.

3.8.2 Система избирательного лазерного спекания на базе

установки Vanguard Si2 SLS

Система избирательного лазерного спекания включает следующие

составляющие:

установку для избирательного лазерного спекания

Vanguard Si2 SLS производства фирмы 3D Systems (США);

шкаф управления;

компьютерную сеть;

охладитель;

станцию отрыва BOS;

высокотемпературную печь Laser Oven;

гидравлический подъемник;

систему обеспечения газообразным азотом;

смеситель порошков.

Установка Vanguard Si2 SLS (рис. 3.21) предназначена для быстрого

производства (Rapid Manufacturing) конечного изделия, т. е. она без стадии

получения модели прототипа непосредственно способна обеспечивать

производственный процесс.

Она оснащена новейшими системами сканирования, новым

компьютерным оборудованием, отличается оптимизированными

параметрами процесса выращивания, повышенной точностью размеров и

качества поверхности, включая кромки. Установка имеет два режима

работы – режим высокого разрешения и режим высокой скорости

изготовления (увеличение до 50%).

Установка оснащена СО

лазером мощностью 100 Вт. Скорость

сканирования в пределах 7,5 10 м/с, что в два раза выше, чем на установке

SLA 5000. Рабочее пространство 381 330 457 мм

(X-Y-Z). Компьютерная

станция на основе процессора Pentium III, операционная система

Windows 2000.

108

Рисунок 3.21 – Система избирательного лазерного спекания на базе

установкиVanguard Si

SLS

Габариты рабочей установки 2,13 1,33 1,98 м. Шкаф управления

содержит управляющий компьютер и монитор. Охладитель как

вспомогательный агрегат предназначен для отвода тепла от лазерной системы.

Станция отрыва BOS предназначена для очистки деталей от лишнего

порошка и его последующей фильтрации с целью повторного использования.

Высокотемпературная (до 1070°С) печь Laser Oven – предназначена

для спекания металлических и керамических порошков, выжигания

связующего вещества, расплавления бронзы и инфильтрации. Имеет

автономное программное обеспечение.

В ходе избирательного лазерного спекания из порошковых

материалов формируются объемные геометрические тела. Первый слой

материала, оплавленного под действием лазерного СО

луча, создается на

рабочей платформе, которая может перемещаться по оси Z. Работа

лазерного луча контролируется таким образом, что поверхность слоя

порошка, нагреваемого практически до точки плавления, воспроизводит

ИК-изображение полученного сечения. Поступающей в эту зону энергии

лазерного луча достаточно для спекания материала в однородный слой. На

109

него наносится новый слой порошка с помощью специального роликового

механизма. Процесс повторяется до завершения наращивания всего объема

изделия. Специальные поддерживающие конструкции в данном процессе

не требуются, поскольку их роль выполняет масса порошка в пределах

рабочей емкости.

3.8.3 Измерительная система на базе сканирующей установки

Imetric Iscan II

Разработка систем оцифровки изображения, основанных на

триангуляции и интерференционном проецировании, быстро развивается.

Такие системы производят сканирование поверхности произвольной

формы в трех измерениях. Сегодня эффективные системы оцифровки

используются в промышленности для контроля качества, когда данные

сканирования служат для сравнения (верификации) фактической

геометрической формы детали с ее 3D CAD моделью.

Оптико-цифровая сканирующая система Iscan II фирмы Imetric

(Швейцария) предназначена для пространственного сканирования

объектов с целью получения трехмерного изображения, а также

сопоставления данных обмера с 3D CAD моделью (рис. 3.22). Система

состоит из следующих компонентов:

сенсорная (сканирующая) головка с цифровой камерой

разрешением 1280 1024 пикселей и проектором;

источник света с ксеноновой лампой высокого давления

мощностью 1000 Вт;

волоконно-оптический кабель для подсоединения источника света

к проектору;

компьютер управления и обработки данных с программным

обеспечением, совместимым с Windows NT (Windows 2000);

углеволоконные калибровочные пластины 300 300 и 600 600 мм

со стандартными визирными маркерами (для небольших объектов);

фотограмметрическая система.

Фотограмметрическая система состоит из следующих компонентов:

метрологической фотокамеры с традиционной оптикой (фокусное

расстояние 24 мм), встроенной фотовспышкой, интегрированным

компьютером Pentium (Windows NT) и цветным монитором;

фотограмметрического программного обеспечения, позволяющего

выполнять следующие операции: распознавание образа с помощью