Товажнянский Л.Л., Грабченко А.И. и др. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления

Подождите немного. Документ загружается.

169

З ад ание изделия :



анал итич еско е



граф ич еско е



ф ото гр аф и ч еско е



данны е сканир ов ания

Со здание

мат ем атиче ск ой 3 D

мо д ел и изделия или его

пр от о типа

(сист ем а 3 D -C A D )

Разраб отка у пр авл яю щ их

пр огр амм д л я р аб о чего

о ргана у ст анов ки R P

( лазе рно го л уч а… )

П о сл ой ная

трансф о рм аци я 3 D -

мат ем атическ ой м одел и в

сово ку пно ст ь 2 D - мо дел е й

В ыб о р тех нол о гии R P по

спос обу м атериа лиза ции

мат ем атическ ой м од ел и

издел ия

R P мат ер иал изация

тео ретическ ой мо дел и

изде л ия по сл о йны м

наращ и в ание м

( C A M - систем а)

Д о раб от ка м од ели

издел ия ил и его

пр от о типа

Г ео метрич еские ,

ф унк ци онал ьны е и

дизайн-м од ел и

М астер-м одели Выж игаем ы е м од ел и

Э ла стич ны е ф ор м ы

М етал ло по лим ерны е

ф ор м ы

То чно е л итье

Пластмассо-

вые и зделия

(опытны е

образц ы)

Вы пла вл.

мод ели

(опытны е

образц ы)

Пластмассо-

вые изделия

( мелкосер.

прои звод ство)

Вы плавл.

мод ели

(се рийное

производ ство)

М еталли ч.

изделия

(опытны е

образц ы)

Формоо бра-

зую щ ая

оснастка

М ех анич еская о б раб отка:



по лир о вание



дов одка



пр ецизи о н ное и у льт рапр ецизио нное то чение ,

р аста ч ивание, ф р езеро вание…

М одиф икация по верх ностного сл о я:



мет ал лизаци я



по кры тия



л азерно е у про ч нени е

Эл екетрод -

инструмент

Формоо бра-

зую щ ая

осна стка

Г ал ьванопл аст ика

В ых о д на р ыно к

К о мпь ю терна я

о птим изация мо дел и

издел ия

Р ис. 1. Стр уктура инте гриров анных высоки х техноло гий ускоре нного

ф ормооб ра зова ния изде л ий и их производства

R M

Генеративное

прямое

изготовление

Рисунок 63 – Обобщенная структура высоких

интегрированных технологий на базе RP, RT, RM

170

базирующихся на генеративной технологии ускоренного

прототипирования, ускоренного изготовления

инструментального обеспечения, ускоренного изготовления

изделий (RPTM).

Здесь к рассмотренному выше добавим понятие прямого

и непрямого изготовления собственно изделия на этапе RP

материализации. Такими генеративными способами, как SLS,

FDM, SLPR и др. можно обеспечить изготовление изделий на

уровне конечного продукта.

Непрямое изготовление реализуется через мастер-

модели и др. по технологии литья, гальванопластики и т.д. На

завершающем этапе используются методы модификации

материала поверхностного слоя – имплантация, покрытия,

металлизация, лазерное упрочнение и т. д., или процессы

финишной механической обработки – полирование, доводка,

выглаживание, прецизионное и ультрапрецизионное точение,

растачивание, фрезерование.

Имеющаяся в распоряжении авторов научно-

техническая информация позволяет заключить, что развитие

и расширение интегрированных технологий на базе

генеративных способов характеризуется высокой динамикой,

разработкой все новых стратегий и концепций, новых

методов и их комбинаций.

171

11. Генеративные технологии ускоренного

производства оснастки и изделий – Rapid Tooling

и Rapid Manufacturing

В рамках единой концепции интегрированных

технологий ускоренного формообразования генеративное

изготовление оснастки, инструмента - Rapid Tooling и

генеративное производство изделия - Rapid Manufacturing

являются важнейшими этапами, во многом определяющими

эффективность реализации идеологии RP.

Процессы Rapid Tooling (RT) и Rapid Manufacturing (RM)

идентичны Rapid Prototyping и основаны на одних и тех же

принципах. Rapid Tooling предлагает получение

технологических инструментальных средств посредством

формирования их первичными моделями RP.

Под «оснасткой и инструментами» мы понимаем те

технологические компоненты, которые будут использоваться

как форма для различного вида литья или последующих

технологий (гальванопластика, покрытия и др.) получения

готовой продукции.

Цель технологии Rapid Tooling состоит в

компьютерном моделировании элементов оснастки и ее

изготовлении, автоматическом использовании свободного

процесса наращивания материала, который относится к

генеративному типу.

Непосредственное изготовление элементов оснастки и

изделий при помощи технологии RT позволяет адаптировать

RP-технологии, основанные преимущественно на работе с

полимерами, к работе с металлами (сталь, чугун, цветные

сплавы, керамика).

Rapid Tooling является только инверсией создания

элементов оснастки. Тем не менее, возникают

дополнительные граничные условия для RP-процессов при

проектировании и изготовлении оснастки.



Геометрические параметры литейной формы сильно

отличаются от геометрических характеристик отливок.

172

Нужно учитывать убыль, выход отливки, выталкиватели,

каналы для входа и выхода воздуха, каналы для

охлаждения и т. п. Создавая 3D CAD модель, нужно

учитывать особенности технологии Rapid Prototyping,

Rapid Tooling и конструкторско-технологические

особенности создаваемой оснастки. Это требует

соответствующего программного обеспечения, которое

обладает, как правило, ноу-хау.



Создаваемая RT металлическая оснастка представляет

собой очень сложную композиционную структуру материала,

поэтому при создании сложных конструкций требуется

специальный расчет тепловых и механических параметров

работы изделия.



Создаваемая RT оснастка для металлических деталей

обладает достаточной конструкторской сложностью.

Рациональную сборку такой оснастки целесообразно

проводить, используя стандартные элементы. Наиболее

сложные элементы оснастки выполняются при помощи RT

технологии.

Основные наработки в области технологии Rapid Tooling

относятся к производству пластмасс. На базе этих работ в

последние годы достигнуты значительные успехи по

созданию сложной оснастки для изготовления металлических

деталей. Однако, путь, пригодный для получения

металлических изделий, в любом случае предполагает

многоступенчатые процессы – окончательное спекание,

инфильтрацию, а также окончательную дорогостоящую

прецизионную механическую обработку.

Процессы Rapid Prototyping, использующие металл,

когда в прототипе непосредственно реализуются элементы

оснастки из металла, находятся на пути дальнейшего

совершенствования.

В настоящее время в мире разработано более 20 методов

Rapid Tooling. Приблизительно половина из них нашла

практическое воплощение, в то время как другие находятся

173

на стадии исследования.

Все технологии Rapid Tooling делятся на косвенные

(непрямые) и прямые методы создания оснастки.

Косвенные, непрямые RT технологии используют RP

образцы, модели для создания оснастки.

Прямой подход RT технологий означает, что RP машина

строит фактическую, как правило, металлическую основу

формы со всеми вставками и каналами.

По мнению специалистов [68] в ближайшие 5-10 лет

наибольший коммерческий успех будут иметь прямые

методы получения оснастки, деталей. Объясняется это тем,

что косвенные методы имеют ряд недостатков:



требуется окончательная доработка образца для

получения металлической оснастки, на которую уходит

значительное время;



требуется достаточно высокая точность при передаче

геометрии модели к геометрии детали;



ограниченный срок работы оснастки для большинства

технологических процессов получения оснастки.

В то же время для RP-процессов, основанных на работе с

пластмассами (полимерами), существует целый ряд

перспективных технологий, которые довольно эффективно

решают вопросы производства элементов металлической

оснастки. Доказано, что косвенная RT открывает путь к

совершенствованию процесса литейного производства

металлов и пластмасс.

Кроме того, необходимо помнить о широком

применении RP технологии для дизайнерских задач и

концептуального моделирования, которые, как правило,

решаются с использованием стереолитографии. Получаемая

для дизайна или моделирования RP модель выступает в

данном случае готовым изделием.

Одно из направлений концептуального моделирования –

это создание с помощью стереолитографического процесса

моделей и макетов для аэродинамических испытаний. На

174

рис. 1, 2 (см. прил.) показана модель элемента двигателя

самолета, выполненного в Харьковском центре

верификационного моделирования по заказу АНТК

«Антонов».

Зарубежный опыт (ЦАГИ, NASA) показывает, что по

точности, прочности и шероховатости поверхности наиболее

эффективны для использования в качестве аэродинамических

моделей прототипы, полученные методом стереолитографии.

Получаемые полимерные модели имеют в 30



40 раз

большую прочность, чем модели, изготовленные из

древесины. Важным достоинством полимерных моделей

перед деревянными является отсутствие расслоения.

Использование силового металлического сердечника, к

которому крепят полимерные детали, позволяет расширить

диапазон аэродинамических испытаний модели.

В экспериментах NASA сделан вывод, что полимерные

модели, изготовленные с помощью технологии лазерной

стереолитографии, можно испытывать в аэродинамической

трубе при высоких скоростях, вплоть до сверхзвуковых.

Экономический анализ, проведенный в ЦАГИ, показал,

что аэродинамические модели, получаемые

стереолитографией, по сравнению с типовой моделью

позволяют снизить трудоемкость до 20



60%, стоимость на



75%, а время изготовления на 2



5 месяцев [5]. При этом

точность модели находится в пределах 100 мкм,

шероховатость

= 2



5 мкм.

Представленный пример показывает, что технология

стереолитографии при концептуальном моделировании

может широко применяться на начальных этапах разработки

аэрокосмической техники, двигателей, автомобилей, поездов

и других сложных, наукоемких машин.

Стереолитография широко используется для решения

вопросов дизайна новых изделий. На рис. 3 (см. прил.)

представлена полимерная копия символа г. Харькова

«Зеркальная струя». Для создания 3D модели использована

175

цифровая фотокамера, что значительно снизило время на

создание прототипа при максимальной возможности

сохранения пропорций оригинала изделия в полимерной

модели.

Для решения вопросов концептуального моделирования

и дизайна моделей методом стереолитографии рекомендуется

использовать оборудование фирмы 3D Systems (США) –

SLA 3500, SLA 5000, Termojet.

Логическим завершением интегрированных технологий

на основе Rapid Prototyping и Rapid Tooling является

технология Rapid Manufacturing, которая включает в себя

современные процессы механической обработки и

модификации поверхностного слоя деталей.

В процессе механической обработки находят

распространение новейшие технологии, где используется

высокоскоростное оборудование, реализующее 5-и

координатную обработку, позволяющее проводить обработку

при нулевой скорости резания, обрабатывать «заготовки» с

«поднутрением» при постоянстве базы крепления, при этом

точность обработки достигает 0,001мм.

В следующих разделах рассмотрим более подробно

косвенные (непрямые) и прямые методы RT и

сопровождающие их технологии.

176

12. НЕПРЯМЫЕ (КОСВЕННЫЕ) МЕТОДЫ RT

УСКОРЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ОСНАСТКИ

Непрямые методы Rapid Tooling являются

альтернативными по отношению к многочисленным

традиционным методам создания оснастки и инструментов.

Главное преимущество непрямых методов RT - это

возможность получения оснастки любой сложности за

короткий промежуток времени. При этом заполняется

технологическая ниша между RP технологиями и жесткой

оснасткой, которая получается прямыми RT методами.

Как правило, оснастка, изготовленная непрямыми

методами, способна к непродолжительному циклу

производства. Тем не менее, многие непрямые RT методы

осуществили значительный прогресс в технологии

производства оснастки и деталей. Большинство этих решений

находится на уровне «ноу-хау». Описание наиболее широко

применимых непрямых RT методов представлено ниже.

12.1. Литье в песчаные формы

В настоящее время одним из основных способов

изготовления отливок, как и прежде, остается литье в

песчаные формы. Этот процесс отливки часто применяется

для производства относительно больших металлических

заготовок с низкими требованиями к качеству поверхности.

Типовой процесс изготовления отливок в песчаные

формы состоит из следующих операций:



Изготовление деревянной или металлической модели,

конфигурация которой должна соответствовать внешней

форме отливки. Деревянные модели достаточно

дешевые, но имеют ограниченный срок службы из-за

отслаивания материала. Металлические модели этих

недостатков не имеют, однако, их трудоемкость выше,

чем деревянных. В целом трудоемкость изготовления

моделей составляет 65



70% от времени изготовления

оснастки. Размеры модели должны быть больше

177

размеров отливки на величину усадки, т. к. во время

охлаждения отливки в форме происходит уменьшение ее

объема.



Изготовление стержней по деревянным или

металлическим ящикам (шаблонам) производится из

стержневых смесей. Стержни ставятся в форму для

образования полости в отливке. Количество стержневых

ящиков зависит от количества отверстий в заготовке.



Форма изготавливается из формовочных смесей в опоках

при помощи модели. В готовую форму ставят стержни

на стержневые знаки и прорезают в ней литниковую

систему.



После заливки жидкого металла в форму и его остывания

полученную отливку выбивают из литейной формы,

отделяют литниковую систему и зачищают.

При сборке литниковой оснастки возникают

погрешности отклонения расположения, которые возникают

вследствие наличия погрешностей соосности,

перпендикулярности, параллельности поверхностей, как

стержней, так и модели.

Для устранения этих погрешностей необходимо

увеличивать допуски на изделие, которые приводят к

увеличению расхода жидкого металла и трудоемкости на

процессы механической обработки, что естественно приводит

к удорожанию продукции.

В Харьковском центре верификационного

моделирования разработан оригинальный вид литейной

оснастки – модельный модуль, который базируется на

процессе стереолитографии. Технология стереолитографии

позволяет отойти от традиционного модельного комплекта,

который включает в себя:



модель с подмодельной плитой;



литниковый куст, который крепится к подмодельной

плите;



стержневой ящик.

178

Разработанный модельный модуль позволяет

эффективно решить проблемы литья в песчаные формы,

значительно увеличив качество отливок при ощутимой

экономии жидкого металла.

Модельный модуль, изготовленный RP технологией на

стереолитографической машине, состоит из:



единого основного формообразующего элемента;



дополнительных элементов оснастки.

Модельный модуль, выполняющий формообразующие

функции модели с подмодельной плитой (рис. 5 см. прил.),

формирует наружный контур изделия и перпендикулярно

расположенные стержни с необходимыми фиксирующими

элементами. Это позволяет при сборке оснастки значительно

уменьшить несоосность между моделью и стержнями, и,

таким образом, снизить припуски на механическую

обработку.

Дополнительные элементы позволяют выполнить разъем

любой степени сложности.

Модельный модуль, выполняющий функции

стержневого ящика (рис. 6 см. прил.), состоит из

формообразующего элемента заготовки, но с

противоположной стороны. Это позволяет выполнить

внутренний контур отливки, при этом величины

погрешностей расположения минимальны.

Фиксирующие элементы для перпендикулярно

расположенных стержней позволяют собрать модуль с

минимальными погрешностями формы и расположения.

Кроме того, использование стереолитографии для

получения модельного модуля позволяет значительно

снизить (в 4



5 раз) шероховатость поверхности.

Разработанная технология литья в песчаные формы на

основе модельных модулей, полученных стереолитографией,

позволяет значительно (на 30



40%) повысить точность

отливки, снизить шероховатость, значительно сократить

объем механических операций.