Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

140

3.12.5 Оптимизация толщин наращиваемых слоев

Расчетные значения толщин наращиваемых слоев можно определять

на базе решения уравнения (3.11) относительно

зад

С(расч)

sin

, (3.17)

где

зад

– заданное значение погрешности формообразования; - угол между

касательной к поверхности детали (ее линейной моделью в сечении) и осью Z.

Рассмотрим области допустимых значений технологических параметров,

входящих в уравнение (3.17). Угол находится в интервале 90 -90 . Заданное

значение погрешности формообразования

зад

должно выбираться с учетом

ранее сделанного вывода из анализа уравнения (3.11) – верхняя граница значений

погрешности не может превышать толщину наращиваемого слоя при любой

форме участков поверхности детали. Расчетные значения толщин

наращиваемых слоев должны ограничиваться технологическими

возможностями установок генеративных технологий макроуровня и для

рассматриваемого случая лежат в интервале

= 0,025 0,2 мм.

Влияние угла на допустимые расчетные значения толщины

наращиваемого слоя

C(расч)

для заданных значений погрешности

формообразования

зад

= 0,025, 0,05, 0,1, 0,2 мм представлено на рис. 3.42.

Рисунок 3.42 – Влияние угла

на допустимые расчетные

значения толщины

наращиваемого слоя

расч)

для заданных значений

погрешности

формообразования

зад

Угол , град.

C(расч)

, ммh

зад

0,025

зад

0,05

зад

0,1

зад

0,2

141

На рис. 3.43 представлена трехмерная визуализация соотношений

(3.17).

Рисунок. 3.43 – Влияние угла

и заданного значения

погрешности

формообразования

зад

на допустимые расчетные

значения толщины

наращиваемого слоя

расч)

C(расч)

, ммh

зад

, мм

град

При оптимизации значений

по аналитическим моделям возникает

необходимость перехода от непрерывных значений

С(расч)

к дискретным.

Переход от непрерывных расчетных значений толщины наращиваемого

слоя к дискретным выполняется с использованием ступенчатой функции

для рассматриваемого случая, имеющей следующий вид:

С(min) С(расч) С(min)

С(расч) С(min)

С С(min) С(step) С(min) С(расч) С(max)

С(step)

С(max) С(расч) С(max)

h h h

h h h h h h

h h h

(3.18)

где

С(min)

С(max)

– минимальное и максимальное допустимые значения

толщины наращиваемого слоя;

С(step)

– шаг дискретизации.

Визуализация функционального перехода от расчетных значений

толщины наращиваемого слоя к дискретным технологическим значениям

приведена на рис. 3.44.

142

Рисунок 3.44 – Визуализация

функционального перехода от

расчетных значений толщины

наращиваемого слоя к

дискретным технологическим

значениям

Расчетная толщина слоя

C(расч)

, мм.

, ммh

C(min)

C(max)

В общем случае оптимизация толщин слоев с ограничением по

заданной погрешности формообразования производится по (3.17) с

переходом к дискретным технологическим значениям по (3.18).

Зависимость допустимых расчетных

C(расч)

и дискретных значений

толщины наращиваемого слоя

для заданных значений погрешности

формообразования

зад

при создании тестовой полусферы единичного

радиуса представлена на рис. 3.45.

Анализ результатов расчетов показывает, что в зависимости от

заданных значений погрешности формообразования

зад

и интервала

изменения угла можно существенно до

C(max) C(min)

= 0,2/0,025 = 8 раз

увеличить значения толщины наращиваемого слоя

без потери

точности. В свою очередь увеличение значений толщины наращиваемого

слоя

приводит к монотонному уменьшению технологического времени

с относительным показателем степени влияния -1,5 (для способа

лазерной стереолитографии). Тогда максимально возможное снижение

технологического времени может доходить до

1,5

C(max) C(min)

22 раз.

143

Рисунок 3.45 – Зависимость

допустимых расчетных

расч)

и дискретных

значений толщины

наращиваемого слоя

для заданных значений

погрешности

формообразования

зад

при

создании тестовой полусферы

единичного радиуса

зад

0,2

зад

0,1

зад

0,05

зад

0,025

Координата z,

мм.

Одной из главных отличительных особенностей использования

изменения толщин слоев является возможность регулирования точности

по поверхности отдельных деталей и изделия в целом:

- обеспечение погрешности формообразования на заданном уровне,

однородном по поверхности изделия;

- обеспечение различного уровня погрешности в заданных областях

деталей или изделия в зависимости от их функционального назначения.

3.12.6 Сравнительная оценка качества поверхности изделий,

изготовленных по генеративным технологиям

Качество поверхности исследовалось на деталях из фотомономера

RPC Cure 300, представленных на рис. 3.46, c использованием прибора

Surtronic 3+. Одновременно фиксировались следующие параметры

шероховатости:

max

144

Образец №1

Образец №2

Трасса замера

шероховатости

Образец №7

Образец №6Образец №5

Образец №4Образец №3

Рисунок 3.46 – Тестовые детали для измерения шероховатости

145

Типичные профилограммы представлены на рис. 3.47 (численные

средние арифметические значения параметров шероховатости

определялись по пяти замерам). Измерения производились для следующих

направлений движения иглы: перпендикулярно слоям – образцы № 1 5,

параллельно слоям – образцы № 6, 7. Для сопоставимости профилограмм

независимо от направления движения иглы все измерения выполнялись

при единых увеличениях по осям.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рисунок 3.47 – Профилограммы поверхностей

с образцов №№ 1-7 (рис. 3.46)

146

Анализ профилограмм образца № 1 (рис. 3.47а) свидетельствует о

равномерном характере профиля со сравнительно небольшим разбросом

высот микронеровностей. Вершины неровностей имеют округлую форму с

достаточно большим радиусом округления. Профилограммы поверхности

образца №2 (рис. 3.47б) свидетельствуют о высокой регулярности

профиля: микронеровности мало отличаются друг от друга и по высоте и

по расстоянию между их вершинами. Форма гребешков – округлая (не

треугольная), выпуклая, что косвенно свидетельствует о достаточно

высоком значении относительной опорной длины профиля во всех

сечениях по его высоте.

На увеличенном изображении выступа высотой 60 мм при шаге

40 мкм на его сторонах видны микронеровности высотой 1 2 мкм образец

№ 3 (рис. 3.47в). На профилограмме поверхности образца № 4 (рис. 3.47г)

равномерность профиля, наблюдавшаяся на образцах № 1 и № 2,

отсутствует – сравнительно невысокие выступы чередуются с высокими.

Микрорельеф поверхности образца № 5 (рис. 3.47д) сформирован

несимметричными векторами, ориентированными в одном направлении.

Профиль регулярный с равномерным шагом 100 мкм, соответствующим

шагу наращивания слоев. При контроле поверхности по схеме образцов

№ 6, 7 (рис. 3.48е, ж) направление движения щупа было перпендикулярно

вектору наращивания, т. е. вдоль слоя. Регулярность профиля наружной

поверхности отсутствует. Поверхность гладкая, профилограмма

трансформируется почти в прямую линию, что свидетельствует о высоком

качестве поверхности в направлении, перпендикулярном вектору

наращивания генерируемых слоев.

По результатам проведенных исследований шероховатости

поверхностей можно констатировать следующее. Шероховатость боковых

поверхностей на всех образцах (рис. 3.47а-д) зависит от шага наращивания

и находится в пределах

= 6 13 мкм и

= 38 72 мкм. Шероховатость в

направлении, перпендикулярном вектору наращивания генерируемых

слоев, не превышает

= 3,52 мкм.

Следует отметить, что колебания высот микронеровностей в

пределах базовых длин сравнительно невелики. Так, соотношение

max

/ 1,5 2

, что свидетельствует об отсутствии глубоких впадин или

высоких выступов на исследованных поверхностях.

Независимо от того, является RPTM изделие конечным продуктом

или промежуточным (модель, прототип), вопросы точности и качества

поверхности имеют важное значение для потребителя. Объективное

147

сравнение этих характеристик изделий, изготовленных по различным

способам RP (SL, SLS, LOM, FDM и др.), затруднено, поскольку фирмы-

производители мало в этом заинтересованы.

Естественно за базу сравнения принимают изделия, получаемые

традиционными методами, например, фрезерованием, точением,

шлифованием и т. д.

На рис. 3.48 приведены результаты измерения шероховатости

поверхности по критерию R

и R

для способов SL, LOM, FDM.

Поверхность полимерных изделий, полученных способом

стереолитографии, имеет существенно более низкую шероховатость, чем

после LOM и FDM, где она примерно одинакова. Важно, что SL

поверхность по критерию R

приближается, а по критерию R

практически

совпадает со значениями шероховатости после фрезерования и даже

шлифования. Исходное состояние поверхности SL-модели R

= 3,97 мкм и

= 21,03 мкм после доводки улучшается до R

= 0,64 мкм и R

= 4,19 мкм.

LOM

FDM

Фрезеро-

вание

Шлифо-

вание

140

120

100

LOM

FDM

Фрезеро-

вание

Шлифо-

вание

140

120

100

Сравнение шероховатости R

, μm

Рисунок 3.48 – Шероховатость поверхности

после различных способов RP и обработки резанием

148

Свойства и структура эпоксидной смолы обуславливают

технологичность пескоструйной обработки, полирования и окраски SL

моделей, что обеспечивает их преимущество перед другими RP моделями

при оценке дизайна, формы и сборки. Функциональные их свойства часто

не позволяют выполнять тестирование, например, термостойкость не

превышает 220ºС, хотя доработкой и облагораживанием покрытиями

износостойкость можно повысить в 3-5 раз, придать свойства

электропроводности и др.

Хотя при использовании SLS и FDM показатели шероховатости

существенно хуже, однако прочность, износостойкость, твердость и др. их

качества позволяют производить функциональное тестирование и сборку,

т. к. при SLS часто применяют полиамид, полистирол, металлы.

Для способа SLS в случае, когда размеры порошка составляют около

50 мкм, можно ожидать впадины глубиной до 25 мкм, что по критерию R

соответствует 55 мкм. В действительности шероховатость таких

поверхностей составляет R

> 50 мкм. По некоторым данным, способы

формообразования по возрастанию шероховатости можно расположить в

следующем ряду в диапазоне до ≈ 100 мкм:

Z SLA-Ф

Z SLA-С

Z МО

Z ЭРО

Z SLS

Z FDM

, (3.19)

где R

Z SLA Ф

– шероховатость после стереолитографии с финишной

доработкой; R

Z SLA-С

– шероховатость после стереолитографии со

стандартной обработкой; R

Z МО

– шероховатость после механической

обработки; R

Z ЭРО

– шероховатость поверхности после электроэрозионной

обработки; R

Z SLS

– шероховатость поверхности после селективного

лазерного спекания; R

Z FDM

– шероховатость поверхности после

моделирования оплавлением.

Убедительное сравнение способов проведено в высшей школе

специалистов Мангейма (ФРГ) К.Ю. Пешгесом (табл. 3.8) по таким

показателям, как стоимость, качество, время изготовления, пригодность

для точных изделий.

На основании имеющихся данных сегодня можно заключить, что

способ стереолитографии среди большого разнообразия появившихся

RP технологий обеспечивает наиболее высокую точность изделий и

наименьшую шероховатость поверхностей.

149

Таблица 3.8 – Сравнение способов RP

Способы RP

Применение

Низкая стоимость

Наличие

Качество (размеры/

поверхность)

Время

Пригодность для

точных пластиковых

изделий

Пригодность для

точных резиновых

изделий

Общая оценка

Быстрое твердотельное

литье (QSM)

●

•

○

•

●

•

годны

3D Keltool

○

•

○

●

•

годны

Селективное лазерное

спекание (SLS)

RP RT

•

●

•

○

годны

Стереолитография (SL)

•

●

○

●

годны

Вакуумное литье

RP (RT)

●

○

частичн

о годны

Инжекционное литье

металла (НЕК)

•

○

частичн

о годны

Многоструйное

моделирование (MJM)

●

•

●

не

годны

Производство

ламинированного

объекта (LOM)

●

•

не

годны

Моделирование

плавкой – охлаждением

(FDM)

●

•

не

годны

Примечание: ● очень хорошо; • хорошо; ○ удовлетворительно; - плохо.

3.13 Доработка изделий после послойного выращивания

(постпроцессы)

После выращивания на установках SLA стереолитографическую

модель и платформу помещают в моечную камеру с растворителем.

Очищение от остаточной смолы и промывку специальным раствором

необходимо проводить с предосторожностью во избежание внесения

дефектов в твердотельную модель (изделие). Для ускорения сушки

используется обдувка воздухом.