Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Но следует учитывать то обстоятельство, что высокие

интегрированные технологии строго ориентированы на определенный

объект производства, а, значит, имеют более узкий спектр по сравнению

с конвенциональными технологиями.

Создать по настоящему инновационный продукт, отвечающий

требованиям рынка, можно только на основе новых технологических

разработок. В настоящее время конкуренция между предприятиями все в

большей степени определяется конкуренцией используемых технологий,

т.е. технологической конкуренцией. Следовательно, новые технологии –

главная движущая сила конкурентной борьбы.

Именно на этом фоне следует рассматривать достижения

интегрированных технологий, базирующихся на принципах не «сверху-

вниз», а «снизу-вверх», т. е. не на разделении объемов припуска и

собственно изделий, а на послойном наращивании.

1.3 Интегрированные генеративные технологии и их уровни

Генеративные технологии, составляющие важнейший раздел

интегрированных технологий, в последние десятилетия получили мощное

развитие и охватили чрезвычайно емкие отрасли промышленного

производства, авиации, автомобилестроения, архитектуры, медицины и

т. д. вплоть до археологии.

Классическая технология изготовления в основе своей базируется на

принципе «сверху-вниз» и трансформационных процессах –

разделительных, соединительных, перераспределительных. Можно

перечислить примеры рабочих процессов конвенциональных технологий

соответственно – резание, сварка, ковка, штамповка (рис. 1.4)

Понятие «генеративные технологии» происходит от латинского

«generari», что означает «вырастать», и отражает принципиальное

отличие от традиционных технологий изготовления сначала заготовок, а

затем последующей обработки их с целью отделения объема материала,

составляющего припуск, резанием, штамповкой, электроэрозией, лазером

и др. способами, обуславливающими заведомо низкий коэффициент

использования материала.

В мир микроизделий могут вести два пути: можно из массивной

заготовки, например, из кремния шлифованием получать необходимое

точное миниатюрное изделие. По этому принципу функционирует

системная техника, которая в основном занимается структурами размеров

от мм до мкм. Другой возможный путь: берутся отдельные атомы,

молекулы или частички из них, которые как кирпичики создают желаемую

структуру. Этот принцип применяется и в нанотехнологии, которая

занимается структурами в нанометровом диапазоне (млн. доля мм).

Рисунок 1.4 – Интегрированные технологии в машиностроении

В соответствии с предложенной концепцией, к генеративным

относятся технологии, базирующие изготовление изделий не на

отделении объемов, составляющих припуск, а на послойном наращивании

объектов до достижения требуемых их характеристик на нано-, микро- и

макроуровнях и конструировании физической поверхности.

Генеративные технологии (ГТ) по своей сути являются своеобразным

отражением в технике и технологии тех процессов, которые происходят в

природных условиях в растительном мире. В процессе роста растение

формирует только необходимые для его роста части – корни, стебель,

листья, цветы, плоды. Кольца роста на срезе ствола дерева

свидетельствуют – все части растения наращиваются послойно.

С точки зрения формообразования природа дает пример

исключительно бережливых, чрезвычайно экономичных процессов. Здесь

уместно привести аналогию структуры приповерхностных слоев растений

и промышленных изделий, получаемых по генеративному принципу, т. е. с

послойным выращиванием (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Аналогия приповерхностных слоев растений

и промышленных изделий

Хотя идея генеративного изготовления изделий имеет давние корни,

однако, именно в наше время созрели все предпосылки для реализации его

огромного потенциала как новой научно-производственной идеологии – «не

от большего к меньшему, а от меньшего к большему». Следует

подчеркнуть, что генеративные технологии представляют собой образец

эффективного интегрирования последних достижений материаловедения,

информационных, лазерных, ионно-плазменных и др. наукоемких

технологий, а также теории управления, оптимизации технологических

процессов и конструкций, современных технологий литья, прецизионной и

ультрапрецизионной обработки и т.д. наращивания (например, для

формирования многослойной структуры и физико-механических и

функциональных свойств физической поверхности). Также реализуема та

или иная степень использования возможностей информационных

технологий для ГТ различных уровней. В особенности это касается

генеративных технологий прямого формообразования, например, послойное

наращивание одно- или многократным окунанием в расплав материала,

наплавка, сборка из объемных (трехмерных) частей единой детали,

спекание или сварка послойно сформированных заготовок и др. (рис. 1.6).

Прямое

прототипирование

инструмента

Прототипирование

инструмента

Функциональное

прототипирование

Прямое изготовление

Непрямое

изготовление

Непрямое

прототипирование

Генеративные

методы изготовления

Ускоренное прототипирование

послойным наращиванием

Ускоренное

изготовление

Концептуальное

твердотельное

моделирование

Не генеративные

способы

Генеративные

способы

Ускоренное

изготовление

инструмента

Прототипирование

Применение

Производство

Технологии

Рисунок 1.6 – Структура технологии генеративного изготовления в зависимости

от использования прототипировании и производстве

Предложенная концепция трех уровней позволяет системно

рассматривать и реализовывать весь потенциал разнообразнейших

технологий, соответствующих генеративному принципу «снизу-вверх».

На макроуровне производится послойное выращивание твердых тел,

переход от виртуального пространства и виртуальных моделей к

твердотельным объектам независимо от степени сложности их

конструкции, форм и размеров. Это технологии Rapid Prototyping,

наплавка, электродуговая, электрошлаковая, плазменная, газотермические

покрытия и т. д.

На микроуровне производится наращивание микрослоев из различных

материалов в любой последовательности толщиной от нанометров до

десятков микрометров. Это технологии вакуумно-плазменные,

химические, химико-термические и т. д.

На наноуровне осуществляется атомно-молекулярная

самоорганизация и послойное наращивание объема, когда толщина слоев

составляет от доли нанометра до нескольких нанометров, а граничный

слой за счет текстурирования и др. приемов формирует физическую

поверхность, ее топографию и функциональные свойства с учетом

анизотропии. Такие процессы относятся к области нанотехнологий.

Термин «нанотехнология» используется для определения систем

оборудования и технологий интегрированного производства, которые

обеспечивают обработку с точностью порядка 1 нм. В более широком

плане «нанотехнология занимается системами, новые функции и свойства

которых зависят только от наноэффектов их компонентов», как звучит

академическое определение понятия, которое дает союз немецких

инженеров.

Генеративные технологии, в частности ускоренное

формообразование и прототипирование по идеологии Rapid Prototyping, на

макроуровне обеспечивают прямой переход от виртуального пространства

и виртуальных моделей (электронных эталонов изделий) к реальным

твердотельным трехмерным объектам без ограничений по сложности

формы, не прибегая к использованию технологической оснастки и

инструмента.

Концепция трех уровней интегрированных технологий позволяет

рассматривать явления, происходящие в макро-, микро- и

нанометрическом диапазонах, на единой методологической основе.

В соответствии с предложенной концепцией трех уровней

генеративных технологий возможна комбинация традиционных

(конвенциональных) технологий (например, для изготовления

макроизделия) и технологий генеративных, по крайней мере, одного из

уровней – макро-, микро- или наноуровней. Широко известны варианты

нанесения наплавок, тонкопленочных покрытий на режущие инструменты,

изготовленные по традиционным технологиям инструментального

производства.

Идеальным вариантом эффективной реализации потенциала

генеративных технологий был бы такой, когда макротело любой

конфигурации, его поверхностный слой и физическая поверхность

создаются послойным наращиванием.

Необходимо констатировать, что технологические возможности ряда

реализуемых на практике генеративных способов послойного наращивания

перекрывают указанные условные границы трех уровней – нано-, микро- и

макроразмерных областей и поэтому не могут быть однозначно отнесены к

какому-либо из них.

В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть эти

технологии как переходные, т. е. уровни в размерных диапазонах см мм и

мм мк (рис. 1.7). К переходному уровню относятся различного рода

наплавки (электродуговая, электрошлаковая, плазменная и др.), нанесение

газотермических покрытий (газоплазменных, детонационных,

индукционных и т. д.).

Необходимо учитывать, что генеративные технологии позволяют не

только послойно наращивать часть всего объема изделия, например,

восполняя объемы изношенного материала, наращивать функциональные

слои, но и обеспечивают полное выращивание изделий независимо от их

конструктивной сложности без оснастки и инструмента по принципу «от

малого- к большему».

Интегрированные

генеративные

технологии

Макро

уровень

см-мм

Микро

уровень

мк

Нано

уровень

нм

Изделие

Приповерхностный

слой

Наноиндустрия,

поверхность

изделия

Переходной уровень

Рисунок 1.7 – Уровни объектов интегрированных генеративных технологий

1.4 Вопросы для самостоятельного контроля

1. Приведите определение современного понятия «технология».

2. В чем состоит сущность концепции компьютеризированного

интегрированного производства?

3. Каково влияние глобализации на тенденции развития мирового

производства?

4. Приведите определение «высокие технологии» и раскройте

основные признаки ВТ.

5. Приведите определение понятия «интегрированные

технологии».

6. В чем состоит сущность концепции трех уровней генеративных

технологий?

7. Приведите примеры природных аналогов объектов,

реализовавшихся по принципу «снизу-вверх».

8. Оцените обоснованность переходных уровней генеративных

технологий.

РАЗДЕЛ 2

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПОСЛОЙНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

2.1 Процессы послойной материализации 3D электронного

образа изделий

Технологии и оборудование для генеративного изготовления изделий

бурно развиваются. На рынке появляются все новые и новые решения, а

существующие претерпевают непрерывную модернизацию. Завтра нынешних

систем может не оказаться или они станут не актуальными.

Поэтому знать и развивать физические основы процессов прямой

послойной материализации 3D-электронных образов – значит уверенно

ориентироваться в будущем обилии промышленных установок,

предугадывать тенденции их развития.

Все генеративные методы изготовления изделий базируются на

создании отдельных слоев заданной толщины и их последовательного

соединения, прежде всего с основой (подложкой), а затем друг с другом.

Виртуальная информация о слоях превращается в генеративном

устройстве в физические слои, последовательно выстраивая физическую

деталь, которая может реконструироваться, быть прототипом или

окончательным изделием. Контуры слоев очерчиваются в плоскости Х-У, а

третий размер по Z-координате и формообразование реализуется за счет

соединения слоев, т. е. Z-координата не является непрерывной. Поэтому

при более строгом подходе генеративные методы послойного

выращивания изделий следует рассматривать как 2

D-методы. Это

означает, что в Z-направлении объем изделия формируется ступенчато.

3D-модель изделия является его своеобразным электронным эталоном.

Поэтому в направлении Z поверхность формируется тем точнее, чем

меньше толщина слоев, однако «лестничные ступеньки» никогда

окончательно не исчезнут.

В настоящее время имеющиеся установки типа Rapid Prototyping

обеспечивают толщину слоев в пределах 0,1-0,025 мм, хотя микротехника

позволяет работать с нанослоями до 5 нм, а методы наплавки охватывают

даже сантиметровые области.

Принцип генеративного изготовления независимо от той или иной

физической сущности применяемого метода материализации электронной 3D

CAD модели реализует единую базу данных в STL-наборе для всех

имеющихся в настоящее время RP-установок, тогда как не генеративные

методы, например, ЧПУ - фрезерование, требуют (как правило)

специфических для данной конкретной установки или станка наборов данных.

Таким образом, генеративные методы являются одним из важных элементов

современной технологии создания продуктов и интегрированных составной

частью в компьютеризированное производство.

Генеративное устройство изготовления называется фабрикатором

(Fabricator или FABBER). Когда речь идет о прототипах, применяют

понятие прототайпер (Prototyper).

Выделяют две стадии, присущих всем способам материализации 3D

электронного образа изделия: генерирование отдельного слоя и соединение

его с предшествующим слоем (Z-направление).

Энергия затрачивается на формирование в заданных контурах слоя и

на процесс соединения слоев, в котором, как правило, участвуют

приповерхностные объемы материала предшествующего слоя. При

листовых технологиях слои вырезаются из фольги заданной толщины и

наклеиваются друг на друга или свариваются друг с другом.

Собственно материализация 3D-модели, т. е. создание твердого слоя

и послойного наращивания, может осуществляться различными

способами, прежде всего:

– генерированием из жидкой фазы;

– генерированием из твердой фазы;

– генерированием из газовой фазы;

– генерированием из плазмы.

2.2 Генерирование из жидкой фазы

В основу этих способов положен процесс отвердения жидких или

вязких фотомономеров за счет полимеризации под влиянием

ультрафиолетового облучения. Эти процессы обозначаются как

фотополимеризация, а также как полимеризация, стереолитография или

стереография. Применяются жидкие вязкотекущие, несетчатые и

низкосетчатые мономеры, которые пропитываются соответствующими

ингибиторами. При ультрафиолетовом облучении спонтанно начинается

полимеризация, вследствие чего жидкий мономер становится твердым

полимером. Это характерно для всех УФ - источников света.

При методе лазерного сканирования по поверхности смолы тонкий

лазерный луч воспроизводит контур соответствующего сечения (2D CAD

модели) и создает локально критическую концентрацию энергии, необходимую

для полимеризации и отвердения. Применяют также двухфотонный метод, при

котором критическая энергия фокусируется в области пересечения двух

отдельных лазерных лучей докритической мощности.

При методе масок УФ облучению подвергаются поверхности жидкости,

соответствующие конфигурации i-того сечения, определяемые масками.

При методе «печатающая головка – лампа» материал для

построения сечения наносится с помощью головки и одновременно с

помощью УФ -лампы полимеризируется.

Под полимеризацией понимают процесс получения полимеров, при

котором макромолекула образуется путем последовательного

присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к

активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. В зависимости

от вида частиц, способных вызвать процесс полимеризации, различают

радикальную, катионоактивную и анионную полимеризацию.

Для стереолитографии необходимо пространственное ограничение

полимеризации, чтобы затвердеть могли только те области, в которых

формируется слой.

След затвердения от лазерного луча обладает геометрией

параболического полуцилиндра, обращенного криволинейной

поверхностью вглубь ванной (от поверхности жидкого мономера). В

зависимости от мощности и диаметра луча лазера такой параболический

полуцилиндр может иметь различную ширину и глубину, что с учетом

оптической глубины проникновения позволяет применение процедуры

оптимизации, а также оценку времени отвердения облученного объема

жидкого мономера (рис. 2.1).