Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

150

После ответственной операции – снятия выращенной модели с платформы

– она помещается в камеру РСА 500 для окончательного отвердения.

«Невызревшая» модель (незавершенный процесс полимеризации в

рабочем пространстве установки SLA 5000) помещается в среду

равномерного ультрафиолетового освещения. Оптимальный режим

(однородное отвердение по объему) обеспечивает минимизацию влияния

полимеризации на точность созданного объекта. В зависимости от объема

и конфигурации изделия окончательное отвердение обычно достигается за

1 2 часа, для крупных – до 10 час.

В зависимости от решаемой задачи, например, для визуализации и

концептуальной оценки, удаляются опоры, для снижения шероховатости

поверхностей выполняется шлифование и полирование.

При выращивании прототипа избирательным лазерным спеканием

(SLS) в зависимости от применяемого порошка используются различные

способы завершающей обработки.

Для спеченных порошков из полиамидов применяется очистка

изделия от порошка в вакуумной станции отрыва BOS, а затем обработка в

пескоструйной камере для сглаживания неровностей на поверхности

сложнопрофильных изделий. Дальнейшая дообработка сложных

поверхностей осуществляется с помощью ручного электроинструмента.

Для композитного материала ST-100 (нержавеющая сталь-бронза)

эффективной является пескоструйная обработка с последующим полированием.

Эти процедуры выполняются в том случае, когда того требуют

результаты верификации моделей.

3.14 Верификация твердотельных изделий, их прототипов и

моделей

Возможность быстрого получения прототипа по генеративной

технологии Rapid Prototyping позволяет на раннем этапе произвести

верификацию модели, например, на этапе геометрического прототипа

можно проверить его соответствие заданным параметрам. Эта процедура

выполняется в следующей последовательности:

создание 3D CAD модели - электронного образа прототипа;

построение твердотельного прототипа по идеологии RPM на

установке SLA или SLS;

контроль RPM изделия (прототипа) на предмет выявления ошибок;

корректировка ошибок в 3D CAD модели;

151

повторение изготовления прототипа по исправленному

электронному образу - 3D CAD откорректированной модели;

проверка исправленной твердотельной RPM модели (прототипа) на

соответствие требованиям к ее геометрическим параметрам.

Функциональное тестирование на этой стадии не проводится.

Верификация 3D CAD и RPM моделей производится с

использованием измерительной системы на базе Imetric Iscan II путем

совмещения полученного сканером изображения с CAD моделью.

После совмещения моделей сканер с помощью цветового указателя

на мониторе указывает на характер отклонения, т. е. визуально можно

определить степень их соответствия:

зеленый цвет – означает норму:

красный цвет «+» означает положительное отклонение;

синий цвет «-» означает отрицательное отклонение, т. е. «в тело модели».

Возможности измерительной системы позволяют оценить степень

совпадения моделей в любой интересующей нас точке и получить оценку

отклонения (если оно имеется) в абсолютных величинах.

Порядок верификации принят следующий:

перед началом работы сканер проверяется путем подачи полос на

калибровочную плиту;

на измеряемый объект наклеиваются светоотражающие мишени

(расстояние между мишенями 300 400 мм). Камера сканера должна

фиксировать одновременно на поверхности 4 мишени. Рядом с объектом

укладываются 2 линейки с известными размерами (1м или др.). На линейки

также наклеиваются мишени);

производится фотограмметрия – определение форм, размеров и

положения объектов по их фотографическим изображениям. Обмер

производится передвижной камерой перемещением ее вокруг

неподвижного объекта. Камера перемещается так, чтобы в поле зрения

попадало не менее 4 мишеней;

с помощью проектора объект освещается «полосатым светом», при этом

камера все время фиксирует его границы (по искривлению граничных линий);

в соответствии с программным обеспечением данные сканирования

соотносятся с координатами реперных точек, итогом чего получаются

результаты измерений поверхности объекта и отклонения от электронного

3D CAD образа;

осуществление ручной доработки результатов сканирования

(выполняется в случае необходимости для сложных изделий); облако точек

152

(массив координат) располагается в границах ± 0,02 мм (доверительная

вероятность 95%) относительно аппроксимирующих поверхностей.

3.15 Технологическое время изготовления изделий послойным

выращиванием (на примере SLA)

Технологический процесс изготовления изделий послойным

выращиванием для большинства существующих способов можно представить

в виде последовательности следующих операций:

подготовительные операции (монтаж рабочей платформы, дозаправка

рабочей емкости исходными материалами);

послойное построение технологических опор (поддержек);

послойное изготовление изделия;

заключительные операции (демонтаж изделия с рабочей платформы,

удаление технологических опор, промывка изделия, постобработка и пр.).

Практический опыт использования способа лазерной стереолитографии

показал, что суммарное время на подготовительно-заключительные операции

находится в интервале 1 5% от общего технологического времени построения

изделия, поэтому в первом приближении эту составляющую можно не

рассматривать.

Технологическое время создания изделия

послойным выращиванием

в общем случае (рис. 3.48) представляет собой сумму времен создания деталей

Д( )

и опор

О( )

И Д( ) О( )

=1 1

T T T

, (3.20)

где

- количество деталей на рабочей платформе и опор.

С точки зрения временной последовательности первоначально

создаются опоры, а на них располагаются детали. С позиций задач

изготовления - первичным является изделие, поэтому его изготовление будет

рассматриваться в первую очередь. В большинстве способов послойного

выращивания опоры и/или поддержки не используются. Примером

обязательного использования опор (поддержек) является способ лазерной

стереолитографии (SLA), при котором используется жидкая исходная рабочая

среда – фотомономер.

В рамках концепции послойного выращивания пространственных

изделий время создания отдельной детали и сопутствующих ей опор

определяется временем создания всех составляющих слоев:

153

СД

Д( ) СД(i)

i=1

;

СО

О( ) СО(j)

j=1

, (3.21)

где

СД(i)

СО(j)

- соответственно время создания i-го и j-го слоев детали и

опор.

В свою очередь времена создания i-го слоя детали

СД(i)

и j-го слоя

опоры

СО( )j

представляют собой сумму следующих технологических

процедур:

СД(i) ФД( ) ПД( ) НД( ) ВД( )i i i i

T T T T T

; (3.22)

СО( ) ФО( ) ПО( ) НО( ) ВО( )j j j i j

T T T T T

, (3.23)

где

ФД( )i

ФО( )j

- время формообразования слоя (SLA - время воздействия

лазерного луча на поверхность фотомономерной смолы);

ПД( )i

ПО( )j

- время

опускания платформы;

НД( )i

НО( )j

- время работы выравнивающего слой

устройства (для SLA - для опор данная процедура не выполняется);

ВД( )i

ВО( )j

- время выдержки (для SLA - для восстановления плоской формы

поверхности фотомономерной смолы).

Тогда обобщенное выражение для технологического времени создания

изделия (3.20) с учетом (3.21) (3.23) имеет следующий вид:

СД

И ФД( ) ПД( ) НД( ) ВД( )

=1 i=1

i i i i

T T T T T

СО

ФО( ) ПО( ) НО( ) ВО( )

1 j=1

j j j j

T T T T

, (3.24)

где обозначения соответствуют (3.20) (3.23).

Рассмотрим составляющие технологического времени послойного

выращивания изделий на базе способа лазерной стереолитографии.

3.15.1 Модель технологического времени создания изделия

При разработке параметрической модели времени создания изделия

использовалось аналитическое моделирование. Аналитическое

моделирование предполагает использование математической модели

реального объекта в форме уравнений, связывающих выходные

переменные (характеристики процесса) с входными (параметрами

процесса), дополненных системой ограничений. При этом предполагается

154

наличие однозначной вычислительной процедуры получения точного

решения уравнений.

В табл. 3.9 приведены 18 основных параметров процесса

формообразования изделий способом лазерной стереолитографии.

Таблица 3.9 – Параметры процесса изготовления изделий способом

лазерной стереолитографии

№

п/п

Обозн.

Наименование

Значения параметров

min

баз.

max

диаметр пятна лазерн. луча, мм

0,230

0,255

0,280

скорость луча лазера, мм/с

3000

4000

5000

площадь рабочей области,

занимаемой деталями, мм

1 10

4 104

1,6 105

ЗД

коэффициент заполнения рабочей

области деталями

0,1

0,5

0,9

коэффициент формы рабочей

области по оси Y

0,5

1,0

2,0

толщина фотополимеризуемого

слоя, мм

0,025

0,1

0,2

ПД

коэффициент проходов луча при

построении детали

ПО

коэффициент проходов луча при

построении опор

ПП

длина подвода и перебега

выравнивающего ножа, мм

10*

скорость движения

выравнивающего ножа, мм/с

11*

ПН

коэффициент числа проходов

выравнивающего ножа

скорость опускания рабочей

платформы, мм/с

13*

БД

базовое время выдержки, с

14*

исходная высота изделия, мм

200

400

15*

ЗО

коэффициент заполнения опор

0,2

0,5

0,9

высота опор, мм

ПО

глубина погружения платформы

при построении опор, мм

6,25

18*

ВО

время выдержки при построении

опор, с

Примечание. Знаком * отмечены параметры, регулируемые оператором.

155

Для каждого параметра определена область допустимых значений

(min) (max)i i i

X X X

и базовое значение

()i баз

. Знаком* отмечены

параметры, регулируемые оператором. Выявление основных

технологических параметров производилось по технической документации

к установке для лазерной стереолитографии, опыту практической работы и

экспериментальным исследованиям. Технологический смысл параметров

будет рассматриваться по мере их использования.

3.15.2 Время послойного построения изделия

Время построения детали при послойном выращивании способом

лазерной стереолитографии представляет собой сумму времен построения

отдельных слоев и определяется ранее полученным уравнением (3.21). Для

получения аналитического выражения для времени построения детали

необходимо выявить зависимости его составляющих от технологических

параметров процесса.

Время формообразования i-го слоя детали. Рассмотрим исходную

схему формообразования способом лазерной стереолитографии. Луч

лазера проходит через оптическую систему и, отражаясь от поверхности

управляющего зеркала, попадает на поверхность жидкого фотомономера

(диаметр пятна лазерного луча

). Время, требуемое для полимеризации,

зависит от спектральных характеристик фотомономера, характеристик

лазерного луча (длина волны, мощность, диаметр пятна лазерного луча) и

скорости его перемещения по поверхности фотомономера (скорость луча

лазера

). Процесс отвердения фотомономера зависит от количества

полученной оптической энергии в области фокусирования лазерного луча.

С учетом полупрозрачности фотомономера лазерный луч проникает на

определенную глубину (большую, чем заданная толщина

фотополимеризуемого слоя

). Перемещаясь со скоростью

по

поверхности фотомономера, лазерный луч должен обеспечивать

требуемую экспозицию, вызывающую отвердение фотомономера, т. е. его

полимеризацию.

Требуемая экспозиция поддерживается параметрами траектории

лазерного луча и ее взаимным перекрытием с учетом аддитивности

суммарной энергии полимеризации, полученной отдельными

элементарными участками формируемого i-го слоя детали.

156

Технологическим параметром, регулирующим этот процесс, является

коэффициент проходов луча

ПД

Формируемый i-й слой представляет собой плоское сечение

пространственной детали. Для описания технологических параметров

формируемого слоя целесообразно использовать площадь рабочей области,

занимаемой деталями

(площадь поверхности в сечении i-го слоя,

ограниченная замкнутой контурной линией по внешним границам элементов

детали или деталей). Для учета несплошности (внутренних пустот)

необходимо ввести коэффициент заполнения рабочей области деталями

ЗД

С учетом вышесказанного время формообразования i-го слоя можно

представить в виде аналитической зависимости от пяти технологических

параметров:

Д ЗД ПД

ФД( )

ЛЛ

S K K

, (3.25)

где

- площадь рабочей области, занимаемой деталями, мм

;

ЗД

коэффициент заполнения рабочей области деталями;

ПД

- коэффициент

проходов луча при построении детали;

- диаметр пятна лазерного луча,

мм;

- скорость луча лазера, мм/с.

Время опускания платформы для i-го слоя детали. При создании

слоя детали платформа со скоростью

опускается на глубину слоя

дополнительную величину

С (min)

= 0,025 мм. Тогда получим выражение от

двух технологических параметров:

ПД( )

0,025

. (3.26)

Время работы выравнивающего ножа для i-го слоя детали. После

формирования каждого слоя и опускания платформы происходит

выравнивание поверхности фотомономера за один или несколько проходов

выравнивающего ножа (технологический параметр

ПН

), перемещающегося

вдоль оси Y со скоростью

. Перемещение выравнивающего ножа равно

сумме линейного размера рабочей области по оси Y и длине подвода и

перебега

ПП

. Для учета формы рабочей области при определении ее размера

по оси Y введем коэффициент

Ф Д ДYX

K S S

как отношение размеров

рабочей области по осям Y и X. С учетом коэффициента

размер рабочей

области по оси Y будет определяться как

ДФ

. Такой подход для

157

прямоугольной рабочей области обеспечивает точное решение, а для области

произвольной формы - приближенное.

С учетом рассмотренных допущений время работы выравнивающего

ножа для i-го слоя детали можно представить в виде аналитической

зависимости от пяти технологических параметров:

ПН

НД( ) Д Ф ПП

T S K L

, (3.27)

где

ПН

- коэффициент числа проходов выравнивающего ножа;

- скорость

движения выравнивающего ножа, мм/с;

- площадь рабочей области,

занимаемой деталями, мм

;

- коэффициент формы рабочей области по оси

ПП

- длина подвода и перебега выравнивающего ножа, мм.

Время выдержки для i-го слоя детали. После опускания платформы

на заданную глубину и выполнения проходов выравнивающего ножа

производится остановка процесса (выдержка) для возврата поверхности

жидкой смолы в плоское исходное состояние. Как показали проведенные

исследования, необходимое время выдержки может быть описано

следующей степенной зависимостью:

С (баз)

ВД( ) БД

Д ( ) С

баз

, (3.28)

где

БД

- базовое время выдержки, с;

- площадь рабочей области,

занимаемой деталями, мм

;

Д ( )баз

- базовая площадь рабочей области,

занимаемой деталями, мм

;

- показатель степени влияния площади

рабочей области, занимаемой деталями, на продолжительность выдержки;

- толщина фотополимеризуемого слоя, мм;

С (баз)

- базовая толщина

фотополимеризуемого слоя, мм;

- показатель степени влияния толщины

фотополимеризуемого слоя на продолжительность выдержки.

С учетом базовых значений

Д ( )баз

= 1 10

мм

С (баз)

= 0,125 мм и

показателей степени влияния

= 0,3,

= 1,5 окончательно имеем:

0,3

1,5

0,3

ДД

ВД( ) БД БД

4 1,5

0,125

2,79 10

1 10

T T T

. (3.29)

Модель времени построения i-го слоя детали. Время построения

слоя детали получим подстановкой в (3.22) функциональных слагаемых:

время формообразования (3.25), время опускания платформы (3.26),

158

работы выравнивающего ножа (3.27) и выдержки (3.28). Окончательно

получим аналитическое выражение от 12-и технологических параметров:

Д ЗД ПД С

СД( )

Л Л П

0,025

S K K h

D V V

0,3

ПН

Д Ф ПП БД

1,5

2,79 10

S K L T

, (3.30)

где обозначения соответствуют табл. 3.10.

Модель времени построения деталей. В общем случае время

создания деталей определяется суммой времен формирования слоев

1 iN

. С учетом (3.21), (3.30) можно записать аналитическое

выражение для времени построения деталей:

Д ЗД ПД С

Л Л П

i=1

0,025

S K K h

D V V

0,3

ПН

Д Ф ПП БД

1,5

()

2,79 10

S K L T

, (3.31)

где под знаком суммы параметры, значения которых в общем случае могут

изменяться для каждого i-го слоя.

Количество слоев, составляющих детали,

будет зависеть от

высоты изделия

и толщин фотополимеризуемого слоя

С(i)

определяться уравнением:

И С( )

. (3.32)

Для случая постоянства толщин фотополимеризуемого слоя и

прочих параметров время создания изделия определяется следующей

зависимостью:

Д ЗД ПД С

С Л Л П

0,025S K K h

h D V V

0,3

ПН

Д Ф ПП БД

1,5

2,79 10

S K L T

. (3.33)

159

Таблица 3.10 – Показатели степени влияния параметров процесса

формообразования изделия на технологическое время

№

п/п

Обоз-

нач.

Наименование

Степень влияния

параметра

толщина фотополимеризуемого слоя,

мм

-1,51

-1.53

-0,99

14*

исходная высота изделия, мм

0,85

0,99

площадь рабочей области,

занимаемой деталями, мм

0,73

0,72

0,81

ПД

коэффициент проходов луча при

построении детали

0,61

0,63

скорость луча лазера, мм/с

-0,57

-0,56

-0,84

диаметр пятна лазерного луча, мм

-0,56

-0,55

-0,84

ЗД

коэффициент заполнения рабочей

области деталями

0,41

0,43

10*

скорость движения выравнивающего

ножа, мм/с

-0,29

-0,30

11*

ПН

коэффициент числа проходов

выравнивающего ножа

0,20

0,21

БД

базовое время выдержки, с

0,20

коэффициент формы рабочей области

по оси Y

0,11

высота опор, мм

0,037

0,99

15*

ЗО

коэффициент заполнения опор

0,029

0,81

ПО

коэффициент проходов луча при

построении опор

0,029

0,81

ПП

длина подвода и перебега

выравнивающего ножа, мм

0,0100

18*

ВО

время выдержки при построении

опор, с

0,0035

0,099

скорость опускания рабочей

платформы, мм/с

0,0027

0,0001

0,0644

ПО

глубина погружения платформы при

построении опор, мм

0,0011

0,053

Примечание. Знаком * отмечены параметры, регулируемые оператором.