Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

2.8 Вопросы для самостоятельного контроля

1. Какова база данных для процессов материализации 3D CAD

модели?

2. В чем состоит различие формирования изделия по различным

осевым направлениям?

3. Какие среды используют для генеративного изготовления

изделия?

4. Какова сущность генерирования изделия из жидкой фазы?

5. Какова сущность генерирования из твердой фазы?

6. Какова сущность генерирования из газовой фазы?

7. Какова сущность генерирования изделий с помощью двух

фотонов?

8. Какова сущность генерирования на базе использования эффекта

сонолюминесценции и электрической вязкости?

9. Каково наличие подвижных и генерирующих элементов

RP-установок?

10. Приведите классификацию генеративных способов по

агрегатному состоянию исходного материала.

РАЗДЕЛ 3

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МАКРОУРОВНЯ

3.1 Место интегрированных генеративных технологий

макроуровня в создании изделий

Рабочие процессы изготовления традиционно базируются на

послойном удалении материала заготовки для получения детали заданных

размеров, формы и качества. Реализуется принцип изготовления «от

большего к меньшему». Понятие Rapid Prototyping означает

непосредственное изготовление изделия или прототипа с помощью

генеративных технологий. При этом под прототипом понимают первичное

физическое представление продукта, изготавливаемого впоследствии,

испытательная модель или проект образца. Каждый вид физического

образца, модели или макета в качестве прототипа должен быть пригоден

для усовершенствования продукта и сокращения пути от идеи до

конечного изделия. Прототипы должны иметь высокий уровень

абстракции и быть простыми, обладать уровнем свойств, достаточных для

тестирования уже на стадии проекта. Создание прототипов изделий, их

моделей также требует много времени.

Анализ цикла создания продукта (ЦСП) показывает, что во всех его

фазах – от возникновения идеи продукта вплоть до его внедрения на рынок –

необходим прототип. Для промышленных товаров широкого потребления

ЦСП может быть разделен на 6 фаз. Прототипы, использованные в отдельных

фазах создания, имеют различные признаки относительно количества

экземпляров, свойств используемого материала, а также геометрических,

эстетических и функциональных требований (рис. 3.1).

Изготовление моделей и прототипов, необходимых в рамках

создания изделия, происходит, как правило, посредством обычных

технологий, при необходимости в комбинации с литейным производством.

В частности, здесь находят применение NC фрезерные станки,

копировальные фрезерные, токарные станки и пр. Кроме того, эти модели

вручную собирают, склеивают или спаивают.

Новые этапы развития науки, информатики, техники CNC, лазерной

технологии и т. д. позволили перейти к интегрированным генеративным

способам ускоренного формообразования на макроуровне, избавиться от

нескольких фаз создания прототипов, рассмотренных выше.

Изготовленные генеративным способом прототипы создаются на базе

3D CAD данных, и их изготовление осуществляется автоматически без

инструмента и оснастки, а лишь на основании цифровой модели продукта.

Именно это позволяет поддерживать информационное обеспечение на

каждом этапе разработки продукта и изготовления его прототипа.

Проработка идеи

Содержание цикла

Предпроектная

проработка

Определение

функциональных

свойств

Создание прототипа

Предсерийное

изготовление

(опытная партия)

Готовность к

реализации, выходу

на рынок

Прототипирование

Количество - 1 шт.,

материал модели,

требования к наглядности

Количество - 1 шт.,

материал модели,

геометрические требования

Количество - 2 - 5 шт.,

материал серии, основные

функциональные требования

Количество - 3 - 20 шт.,

материал для серии,

стоимость серии,

предсерийный инструмент

Количество - до 500 шт.,

материал серийный,

серийная технология,

серийный инструмент

Проект модели

Геометрический

прототип

Функциональный

прототип

Технический

прототип

Опытная партия

Рисунок 3.1 – Этапы создания прототипов изделий (традиционные)

Впервые такая технология - лазерная стереолитография (SL) -

была представлена на автошоу в Детройте (США) в 1987 году.

Подобные технологии разрабатывались в различных центрах и

странах под не совпадающими названиями: Rapid Prototyping (быстрое

прототипирование или «оперативное» макетирование), Solid

Freeform Fabrication (твердотельное свободное выращивание),

Laminate Synthesis (послойный синтез), 3D Component Forming

(формирование трехмерных объектов), формирование слоев наплавкой и

др. Они относятся к генеративным технологиям, в основе которых

лежат различные способы быстрого изготовления изделий или их

прототипов послойным наращиванием, а не разделением объемов, что

характерно для конвенциональных (традиционных) технологий

резания, штамповки, электроэрозионной обработки и т. д.

Понятие «генеративные технологии» наиболее емко и обще

определяет суть этих и других различных способов ускоренного

формообразования послойным наращиванием, независимо от того, каков

механизм этого наращивания, какие материалы и в каком состоянии

используются, какие ограничения имеют те или иные способы

материализации, каковы масштабы наращиваемых объемов.

3.2 Структура генеративных технологий макроуровня

Все способы ускоренного формообразования макроизделий реализуют

генеративный принцип «от малого к большому» посредством

последовательного неразъемного соединения элементарных слоев

наращиваемого объема. Изделия любой сложности формы представляют

собой уложенные (и скрепленные) один на другой слои с 2D контуром

постоянной или переменной толщины. Именно контур в плоскости X-Y

отличается наибольшей точностью, а в направлении оси Z происходит

дискретное наращивание слоев, образующих своеобразные ступеньки.

Естественно, изделия без ограничений по сложности формы производятся

путем генеративных технологий без формообразующей оснастки, что

кардинально сокращает этапы технологической подготовки производства

или собственно изготовления и имеет целый ряд достоинств.

Разработка генеративных технологий явилась настоящим прорывом

в области интегрированных технологий, позволяющих во времени и

пространстве совместить или чрезвычайно сблизить разработку,

конструирование и изготовление типовой единичной модели, детали или

изделия в сборе, сократить время в зависимости от степени сложности на

30 70%, а иногда и в несколько раз.

Но не только фактор времени стал определяющим для быстрого

завоевания все новых областей применения генеративных

технологий – авиастроение, автомобилестроение, электроника,

инструментальное производство, медицина, археология, архитектура и др.

Прямое выращивание изделий способно решать задачи

формообразования макроизделий, микро- и нанослоев из различных

материалов и управлять их функциональными физико-

механическими свойствами с заданным градиентом вплоть до атомного.

Во временной цепочке традиционного создания продукта – период

между возникновением идеи и выходом ее на рынок – значительная доля

приходится на изготовление моделей, прототипов и образцов изделия. В

рамках интегрированных технологий задача значительного сокращения

этой доли решается наиболее успешно.

Развитие мощной вычислительной техники, способной оперировать

трехмерными образами, успехи в разработке лазерных технологий

обработки материалов явились основой развития технологий послойного

создания трехмерных реальных объектов любой степени сложности.

Интегрированный рабочий процесс ускоренного изготовления деталей

или их прототипов на сегодняшний день представляет собой органичное

соединение возможностей компьютерных технологий обработки

информации, трехкоординатного моделирования (CAD), виртуального

инжиниринга и современных лазерных и др. способов изготовления (CAM).

Идеология ускоренного формообразования изделия (модели, прототипа

конечного изделия) базируется на: возможности компьютерного

автоматизированного проектирования изделия (по фотографиям, чертежам,

аналитическим зависимостям или результатам измерений), компьютерной

оптимизации его конструкции, исходя из требований дизайна, формы,

функциональных свойств (CAD); трансформации трех координатной модели в

совокупность послойных моделей; возможности воспроизвести эту

совокупность послойных моделей (рис. 3.2), т. е. материализовать всю модель

как единое целое, как твердотельное изделие или его прототип (САМ).

STL - файл

CAD изделие или его

прототип

(3D проектирование)

Компьютерная

оптимизация модели

изделия

Послойное разделение

3D-модели

на двумерные - 2D

Доработка изделия или

прототипа

Серийное производство

изделия

Выход на рынок

Разработка управляющих

программ для рабочего

органа

Трансформация 3D -

модели в совокупности

2D - моделей

RP-системы

Материализация

теоретической модели -

САМ

Рисунок 3.2 – Структура интегрированного рабочего процесса ускоренного

формообразования – Rapid Prototyping

Таким образом, функциональная структура интегрированного

рабочего процесса ускоренного формообразования изделия может быть

представлена в такой последовательности:

1. Получение трехмерной математической модели изделия. Она

создается по данным чертежа, частным аналитическим зависимостям,

фотографиям. Если изделие воспроизводится, то модель получают на трех

координатной измерительной машине путем обмера оригинала

сканированием поверхности послойно или поточечно (рис. 3.3а).

2. Компьютерная оптимизация конструкции производится по

программам, исходя из функционального назначения, дизайна, др.

требований, предъявляемых к разрабатываемому изделию. Важность этого

этапа определяется еще и тем, что для компьютерной оптимизации не

требуется твердотельная модель или изделие, что резко сокращает время

на проектирование.

3. Послойное представление теоретической модели совокупностью

двухмерных относительно простых моделей (рис. 3.3б).

4. Создание программ компьютерного управления движением

рабочего органа («инструмента») с помощью которого послойно в

соответствии с совокупностью 2D модели будет материализоваться

теоретическая модель изделия или его прототипа.

5. Послойное (рис. 3.3в, г) получение одним из способов цельной

твердотельной модели или изделия (или серии изделий). Наглядно

иллюстрирует эти этапы ускоренного формообразования рис. 3.3.

6. Окончательное изделие или модель получают последующим

улучшением свойств. Для этого на первой стадии устанавливается различия

свойств ожидаемого прототипа и требуемого изделия – по геометрической

форме, физическим, механическим, химическим и др. свойствам.

На второй стадии часть этих различий устраняется за счет

параметров процесса материализации теоретической модели.

На третьей, окончательной стадии происходит «облагораживание»

изделия, максимально возможное приближение его функциональных

свойств к требуемым: износостойкость, прочность, электропроводность,

металлизация, доводка и т. д.

Изложенное позволяет по иному выстроить всю цепочку

прототипирования и производства изделия, всецело базируясь на

идеологии генеративного послойного изготовления (рис. 3.4). Сравнение с

традиционными подходами (рис. 3.2) показывает, что генеративная

технология эффективна на этапах прототипирования и позволяет

сократить количество этих этапов.

в г

Рисунок 3.3 – Основные переходы генеративного способа послойного

выращивания

Но главное достоинство состоит в том, что идея способа

генеративного (послойного) изготовления является объединяющей,

интегрирующей процессы моделирования, создания инструментального

обеспечения и изготовления (рис. 3.5).

Это позволяет представить концептуальную структуру

интегрированных технологий, базирующихся на идее генеративного

изготовления следующим образом: компьютерное создание

концептуальных моделей, генеративное создание функциональных

прототипов, генеративное создание инструментального обеспечения,

генеративное серийное производство, выход на рынок.

База данных

CAD

Идея

CAD

RP пропорциональная модель

Общая база данных + организация

CAD

Планирование/

Определение

CAD

RP эргономичная модель

CAD, CAE

Концепция

CAD, CAE

RP эргономичная модель

Разработка

CAD

Проект/ Дизайн

CAD

RP функциональная модель

CAE

Конструкция

CAE

RP функциональная модель

Расчеты

RP прототип

Создание модели

Создание образца

RP образец

База данных

CAT, CAQ, PPS

Испытание

Документирование

CAT, CAQ, PPS

RP образец

CAQ, PPS

Средства

производства

Планирование/

производство

CAQ, PPS

Rapid Tooling

CAT, CAL, CAQ, PPS

Производство

продукта

CAT, CAL, CAQ, PPS

Rapid Manufacturing

Продукт

Традиционная разработка

продукта и традиционное

создание модели

Этапы разработки

продукта

Simultaneous Engineering

и генеративные технологии

производства

(RP = Rapid Prototyping,

Rapid Tooling,

Rapid Manufacturing)

Рисунок 3.4 – Частично замкнутые классические CIM-цепочки процесса (слева)

и полностью замкнутые цепочки процесса CIM этапы (справа) с применением

генеративных технологий

Сокращение времени

Концептуальное

3D CAD -

моделирование

Rapid -

производство

Rapid -

инструменталь-

ное оснащение

Функциональный

Rapid Prototyping

Создание

концептуальных

3D -моделей

Генеративное

серийное

производство

Генеративное

инструментальное

обеспечение

Генеративное

создание

функциональных

прототипов

Этапы генеративного изготовления

Рисунок 3.5 – Этапы генеративного создания прототипов и изделий

3.3 3D CAD моделирование и создание электронного образа

(модели) послойного изделия

Отправной точкой для каждого генеративного метода является

трехмерное описание геометрии прототипа, предназначенного для

изготовления, из которого следует создание физической модели.

Например, объемное 3D моделирование предоставляет

неограниченные возможности воспроизведения в виртуальном

пространстве всего многообразия объектов окружающего материального

мира, позволяет не только встраивать в него виртуальные модели этих

предметов, но и исследовать взаимодействие их электронных образов,

оптимизировать еще не существующие конструкции и процессы,

манипулируя ими как реальными.

Создание CAD моделей (3D моделирование и трансформация

теоретической модели в систему 2D моделей), а также подготовка к

дальнейшему использованию требует основной части времени,

затрачиваемого при RP процессах. Оно требует повышенного внимания еще

и потому, что может использоваться как диалоговый инструмент для

оптимизации конструкции изделия, для быстрого устранения недостатков

опытного образца путем изменения банка данных. Чаще всего

первоначальная модель представлена как некоторое геометрическое твердое

тело. С помощью CAD систем описывается геометрия детали для ее

дальнейшей математической обработки с помощью треугольной

аппроксимации (триангуляции) и затем это описание переводится в

стандартный формат STL. Далее STL-данные пересчитываются для

отдельных сечений (Slice-process) с шагом дискретизации h

= 0,025 0,15 мм.

Исходя из вида RP-оборудования, Slice-process может сам

преобразовываться во внешнюю систему обработки геометрии или в

систему управления процессом в оборудовании.

На основе этого используются различные форматы данных, которые

поддерживаются системой управления процессом, – двумерные (формат

HPGL) и трехмерные (формат STL).

Геометрические данные для требуемого перевода в управляющие

данные RP-процесса часто конвертируются в стандартный геометрический

формат, информацию чертежа в медицинской технике, в FEM – сети

технических чертежей и физических моделей. Для проработки

геометрической входной информации применяются различные процессы и

функциональные варианты: 3D CAD – объемный модулятор с генерацией

трехмерных данных или в формате STL; обработка цифровых или

оцифрованных изображений, фильтрация и очистка трехмерной точечной

информации единственного физического экземпляра; система обратной

связи для дальнейшей обработки большого числа трехмерных точечных

данных и перевода этих данных в систему плоских моделей; система

обработки рисунков для сепарации и селекции точечных данных в

медицинской технике.

В качестве связи между различными системами, разрабатывающими

геометрию, применяются стандартные интерфейсы IGES, VDA-FS и STL-