Товажнянский Л.Л., Грабченко А.И. и др. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления
Подождите немного. Документ загружается.
119
«Невызревшая» модель (незавершенный процесс
полимеризации в рабочем пространстве установки SLA 5000)
помещается в среду сплошной ультрафиолетовой радиации.
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 выполнятся
полирование.
При выращивании прототипа избирательным лазерным
спеканием в зависимости от применяемого порошка
используются различные способы завершающей обработки.
Для спеков 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.
6.6. Верификация изделий, прототипов и их 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
120
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.
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).
121
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 (массив координат)
располагается в границах ± 0,02 мм (доверительная
вероятность 95%) относительно аппроксимирующих
поверхностей.
122
7. Принцип обратимой структурной декомпозиции и
трансформации изделий при их послойном
выращивании
Предлагаемый принцип обратимой структурной
декомпозиции и трансформации изделия базируется на
следующих положениях:
сложное изделие, представляющее собой систему
объектов, разбивается на составные более
технологичные элементы (структурная декомпозиция
системы - необходимое условие);
изделие или элементы благоприятным образом
оптимально в определенном смысле ориентируются в
пространстве и размещаются на поверхности
платформы (геометрическая 3D трансформация -
достаточное условие);
создание изделия или элементов производится с
возможностью изменения толщин формируемых слоев
по критерию минимума технологического времени (или
себестоимости изготовления) с ограничением по
заданной погрешности формообразования
(технологическая трансформация - достаточное
условие);
после изготовления составных элементов они
собираются в изделие (обратимость декомпозиции -
необходимое условие).
Для оценки возможности структурной декомпозиции и
трансформации изделий для оптимизации процесса их
создания необходимо рассмотреть следующие вопросы:
ориентация детали на этапе формообразования;
разделение изделия на части;
формирование деталей слоями различной толщины.
Необходимость рациональной ориентации деталей на
этапе формообразования является дополнительным резервом
расширения технологических возможностей способа
123
лазерной стереолитографии.
Рассмотрим деталь, имеющую площадь основания
1
S
и
высоту
1
H
. Выполним ее переориентацию относительно
поверхности платформы таким образом, чтобы ее высота
уменьшилась и стала равной
2
H
(
2 1
H H
< 1). Тогда площадь
детали увеличится до значения
2 1 1 2
1S S H H
. Будем
рассматривать технологическое время построения на базе
аппроксимационной степенной модели:
S
H
m
m
T k S H
, (4)
где
k
- коэффициент, учитывающий влияние прочих
технологических параметров; m
S
, m
H
- соответственно
степени влияния площади детали S и высоты H на
технологическое время.
Рассмотрим коэффициент относительного
технологического времени:
2 2 2 1 2 2
T
отн
1 1 1 2 1 1
m m m m
m m
S S H S
H H
T S H H H H
K
T S H H H H
, (5)
где значения показателей степени влияния параметров
(табл. 16) соответствуют следующим:
S
m
= 0,72,
H
m
= 1.
Тогда, для
2 1
H H
< 1 и
0
H S
m m
, имеем
T
отн
K
< 1,
т. е. трансформация привела к уменьшению технологического
времени (
2 1
T T
).
Также необходимость рациональной ориентации
вытекает из использования изменения толщины слоев. При
формообразовании одной детали, не являющейся телом
вращения, возникает необходимость ее ориентации,
обеспечивающей выравнивание углов
в различных
сечениях. При обработке системы деталей возникает
конфликт, связанный с их различной кривизной в границах
общих слоев, что приводит к комбинационным задачам,
которые должны решаться применительно к конкретным
ситуациям.
124
Таблица 16 - Показатели степени влияния параметров
процесса формообразования изделия на технологическое
время
Степень влияния
параметра
№
п/п
Обоз-
нач.
Наименование
Т
И
Т
Д
Т
О
6*
С
h
толщина фотополимери-
зуемого слоя, мм
-1,51 -1.53 -0,99
14*
И
H
исходная высота изделия, мм
0,85 0,99
3*
Д
S
площадь рабочей области,
занимаемой деталями, мм
2
0,73 0,72 0,81
7
П Д
K
коэффициент проходов луча
при построении детали
0,61 0,63
2
Л
V
скорость луча лазера, мм/с
-0,57 -0,56 -0,84
1
Л
D
диаметр пятна лазерного
луча, мм
-0,56 -0,55 -0,84
4*
ЗД
K
коэффициент заполнения
рабочей области деталями
0,41 0,43
10*
Н
V
скорость движения
выравнивающего ножа, мм/с
-0,29 -0,30
11*
П Н
K
коэффициент числа проходов
выравнивающего ножа
0,20 0,21
13
БД
T
базовое время выдержки, с 0,20 0,20
5*
Ф
K
коэффициент формы рабочей
области по оси Y
0,11 0,11
16
О
H
высота опор, мм
0,037
0,99
15*
ЗО
K
коэффициент заполнения опор
0,029
0,81
8
ПО
K
коэффициент проходов луча
при построении опор
0,029
0,81
9*
П П
L
длина подвода и перебега
выравнивающего ножа, мм
0,0100
0,0100
18*
ВО
T
время выдержки при
построении опор, с
0,0035
0,099
12
П
V
скорость опускания рабочей
платформы, мм/с
-0,0027
-0,0001
-0,0644
17
ПО
H
глубина погружения платфор-
мы при построении опор, мм
0,0011
0,053
Примечание. Знаком * отмечены параметры, регулируемые
оператором.
125
Таким образом, можно считать предварительно
доказанной целесообразность рациональной ориентации
деталей. Более подробно этот вопрос необходимо
рассмотреть применительно к базированию и ориентации
изделий, имеющих достаточно сложную форму.
7.1. Особенности базирования и выбор ориентации
изделия в процессе его послойного выращивания
Расположение RP изделия в рабочем пространстве
камеры установки SLA имеет ряд отличительных
особенностей. Требуется выбрать базирование и ориентацию
изделия, которое предстоит изготовить путем
материализации его электронного образа.
При этом надо исключить какое-либо смещение или
опрокидывание в процессе послойного изготовления изделия
и обеспечить требуемое качество. Ориентация изделия важна
не только по отношению к платформе установки, но и по
отношению к вектору наращивания слоев (рис. 41).
Как видно из рис. 41,
1 2 3
H H H
, а величина ступеней
при одинаковых шагах платформы (равной толщине слоев)
больше там, где минимальный радиус кривизны совпадает с
осью
Z
. Эти поверхности будут иметь большую
шероховатость. Минимальная шероховатость там, где
поверхность сформирована плоскими участками,
обращенными вверх.
При послойном выращивании в зависимости от
конфигурации последующие слои могут «нависать» над
предыдущими. В этом случае обязательным является
выращивание поддержек, которые по назначению
аналогичны приспособлениям для механической обработки.
Именно эти поддержки должны устойчиво удерживать
послойно выращиваемое изделие во время изготовления от
возможных наклонов, смещений и опрокидывания.
Программное обеспечение подготовки процесса
стереолитографии составлено так, чтобы предусматривать
126
z
1
2
3
h
1
h
2,3
Рисунок 41 - Изменение
величины ступеней при
различной кривизне и
расположении
поверхностей второго
порядка:
1 – большая ось эллипса
параллельна оси Z;
2 – большая ось эллипса
параллельна оси Y;
3 – большая ось эллипса
перпендикулярна оси X
Изделие
Сечение по
опорам
CAD м одель
Рисунок 42 - Преобразование твердотельной поддержки
основания
а)
Клинья Консоль Портал
б) в)
Рисунок 43 – Различные типы поддержек поверхностей
127
одновременное с изделием выращивание поддержек. Они
могут создаваться в автоматическом режиме или оператором.
Изготовление изделий сложных конфигураций и обеспечение
меньших допусков на размер невозможно осуществить без
создания систем поддержек [64].
Каждая деталь, изготавливаемая методами SLA, должна
иметь и поддержку основания, чтобы обеспечить переход
первых слоев от платформы к изделию. На рис. 42
представлена сотовая поддержка RP изделия.
Поддержки могут быть соединены с предшествующими
слоями детали, обеспечивая прочную структуру. Этот метод
предпочтителен, когда нужно меньшее количество
укрепляющего материала. Таким образом сокращается время
построения. Это особенно целесообразно для маленьких
участков, расположенных намного выше платформы. На
рис. 43 изображены примеры различных типов поддержек:
клинья, поддержка портала, поддержка консоли [27, 43, 48].
Консольные секции изделия оснащаются треугольными
поддержками-клиньями. Они прочны, легко удаляемы. Если
существуют плоские, обращенные вниз области больше, чем
1,27 мм, они должны быть поддержаны. Наклонные
поверхности между 0
и 30
от горизонтали должны
рассматриваться как плоские, обращенные вниз области.
В поддержках нуждаются и изделия, сформированные
поверхностями второго порядка (рис. 44). При различной
ориентации эллипса послойно выращиваются, начиная с
основания, поддержки для поверхностей второго порядка,
обращенных к платформе.
Области нависания слоев зависят от кривизны
обращенных вниз поверхностей и шага платформы. На
рис. 44 толщины слоев для наглядности не адаптированы к
кривизне поверхностей.
Таким образом, правильная ориентация изделия может
сократить время его изготовления за счет рационального
выбора и последующего удаления опорных конструкций, а
128
Рисунок 44 – Поддержки поверхностей второго порядка
а, б, в – наружные, г - внутренние;
h
1
, h
2
, h
3
, h
4
– высота нависающих слоев.
Рисунок 45 – Влияние ориентации детали на процесс SLA
и его выходные характеристики [50]
а) б)
в)
г)
l
1
И склю чен ие техн ологически х
погреш ностей, обусловленны х процессом,
увеличение длительности выращ ивани я
г)
Устран ение конструкци и оп оры ,
увеличение длительности выращ ивани я
в)
Ум еньш ени е эф ф екта "пры ж ка" ступ ени,
устранен ие поддерж ек, мин им изация
врем ени
а)
М иним изация врем ени создан ия
б)
h
1
l
2
h
2
l
3
h
3
l
4
h
4