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

Подождите немного. Документ загружается.

компьютеризации. Не случайно в США принята программа

«Национальная нанотехнологическая инициатива» (бюджет

США, $ 0,5 млрд); «VI рамочная программ Евросоюза»

отдает приоритет нанотехнологиям; в России на

правительственном уровне принят перечень приоритетных,

прорывных направлений нанонауки, созданы

государственные координирующие органы.

3.5. Роль 3D CAD моделирования

Отправной точкой для каждого RP-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 (Sliceprocess) с

шагом дискретизации h

= 0,05



0,15 мм.

Исходя из вида RP-оборудования, Sliceprocess 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-обмен данными.

Проработка данных этими инструментами следует, в общем,

до установки однозначного трехмерного описания объема как

предпосылки для слоистого процесса. Опыты показали, что

слоистый процесс возможен и с четкой, корректно

рассеченной и очищенной трехмерно-плоской моделью, и с

помощью аппроксимации и интерполяции точечных слоев

модели. Создание 2D, 3D CAD модели производится на базе

цифровой техники. Это не простой путь, т. к. необходимо

учитывать сложность формы объекта и его вторичность в

последующей эксплуатации конструкции. Поэтому создание

3D CAD модели связано чаще всего с применением оптико-

электронной цифровой техники с использованием метода

триангуляции, базирующегося на совместном анализе

множества пространственных координат точек, поверхности

и объема, с применением специальных фильтров, логических

операций, аппроксимации и соответственно метода

интерполяции.

Естественно, что при разработке интегрированных

технологий необходимо создание мощной сети 3D данных,

так как 3D CAD моделирование является своеобразным

катализатором в общей цепочке этапов интеграции методов,

процессов, способов и т. д.: форма задания изделия – 3D CAD

моделирование – виртуальный инжиниринг – послойная

трансформация 3D моделей в совокупность 2D моделей –

критерии выбора и выбор способа материализации –

послойная материализация модели (изделия) – доработка

технологии тиражирования - механическая (CNC) и др. виды

обработки – модификация материала поверхностного слоя –

применение генеративных микро- и нанотехнологий –

выходной контроль (3D измерительная программа) и т. д.

Процесс создания интегрированных технологий и их

реализацию можно сделать существенно более

эффективными, если он будет сочетаться с использованием

возможностей телеинженерии.

Под телеинженерией понимается промышленное

использование интегрированной техники мультимедиа –

коммуникации при синхронной аудио-видео и графической

интерактивной информации, разработкой и эксплуатацией

которой управляют ведущие эксперты. Освоение идеи

телеинжинерии в жизни происходит через технологическую,

техническую и организационную интеграцию

мультимедийной техники.

Мультимедийная коммуникация означает

одновременную передачу синхронных (видео, аудио) и

асинхронных средств (тексты, графики, таблицы), что

позволяет проводить совместные видеоконференции (Web-

камера в персональном компьютере), удаленную работу с

совместными данными (в рамках рабочей группы) постоянно

модернизируемой рабочей области звуковыми и

видеосигналами и др.

Телеинженерия позволяет объединить в рамках решения

единой задачи RPTM опыт, знания и умения специалистов,

территориально находящихся в различных точках земного

шара.

Необходимо подчеркнуть, что 3D CAD модель является

электронным эталоном изделия, обладающим идеальными

его геометрическими характеристиками. Электронный

эталон изделия чрезвычайно важен не только для процесса

изготовления изделия, но и для его верификации.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ

ГЕНЕРАТИВНОЙ 3D МАТЕРИАЛИЗАЦИИ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЙ

МАКРОУРОВНЯ

Способы материализации теоретических 3D моделей

являются важнейшей составляющей интегрированного

рабочего процесса ускоренного формообразования,

изготовления изделий или их прототипов, т. к. именно они

реализуют прямой переход от электронного образа к

твердому телу и во многом определяют сокращение времени

создания изделия, продукта произвольной, самой сложной

формы; степень повышения качества изделия; сокращение

суммарных производственных затрат. В совокупности эти

факторы определяют конкурентоспособность продукта на

рынке.

Разработанные к настоящему времени способы

материализации теоретических моделей различны по многим

признакам, технологическим возможностям и т. д., однако,

всем существующим способам присуще достаточно много

общего:



все прототипы или изделия изготавливаются на основе

3D CAD проектирования;



все прототипы или изделия изготавливаются послойно;



собственно изделие или его прототип получают не путем

отделения, снятия припуска с заготовки, а посредством

наращивания, добавления материала, т. е. генеративным

способом;



наращивание материала в процессе формообразования

происходит чаще всего в переходной его фазе от

жидкого или порошкообразного к твердому состоянию;



изготовление конструктивного элемента не требует форм

или инструмента, а, значит, отпадают проблемы,

связанные с износом инструмента при

формообразовании резанием, штамповкой, ковкой и

т. д.;



отсутствует та или иная степень ограничений, связанных

со сложностью формы изделия (внутренние полости,

сложные внутренние или внешние поверхности), чем

сложнее конфигурация изделия, тем большее

преимущество процесса;



резкое сокращение затрат времени;



эффективность всех способов RP существенно

повышается при их интеграции с завершающей

технологией изготовления твердотельных изделий –

вакуумное литье, литье под давлением и др. его виды.

Используемые способы получили свое условное

обозначение, состоящее из начальных букв слов,

составляющих название способов материализации (RP):



SL (SLA) – Stereolithography – способ лазерной

стереолитографии;



SLS (LS) – Selectiv Laser Sintering - избирательное

лазерное спекание;



LOM – Laminated Object Manufacturing – изготовление

слоистых моделей;



FDM – Fused Deposition Modeling – моделирование

оплавлением;



SGC – Solid Ground Curing – основное термическое

воздействие;



BPM – Ballistic Particle Manufacturing – изготовление с

использованием баллистики;



DLF – Directed Light Fabrication - изготовление

направленным светом;



DPSC – Direct Shell Production Casting – прямое блочное

изготовление оболочки;



MJS – Multiphase Jet Solidification – отвердение

многофазной струи;



3D Printing – TDP – Three Dimensional Printing – по

принципу трехкоординатной глубокой печати;



LTP – Liquid Thermal Polymerisation – температурная

полимеризация жидкого полимера;



RMPD – Rapid Micro Product Development – быстрое

изготовление микроизделий;



MJM – Multi Jet Modelling – многоструйное

моделирование;



3DW – Three Dimensional Welding – трехкоординатная

сварка;



ES – Solidification of a Electroset Fluid: Elektrosetting –

отвердение электроосаждением;



LENS – Laser Engineering Net Shaping – формирование с

помощью лазерной инженерной сети;



DMD – Direct Metal Deposition – прямое осаждение

металла;



GPD – Gas Phase Deposition – осаждение из газовой фазы;



SFP – Solid Foil Polymerization – полимеризация твердой

фольги.

Разработаны принципы не послойного, а прямого

объемного моделирования:



HIS – Holographic Interference Solidification – отвердение

при голографической интерференции.

Кроме того, к идеологии послойного формирования, но

не наращиванием, а удалением металла, относят, например,

лазерное фрезерование:



LM – Laser Milling и DM – Desktop Milling –

«настольное» фрезерование.

Рассмотрим принципы и сущность основных из

применяемых способов генеративной материализации

трехмерных математических моделей изделий.

4.1 Способ лазерной стереолитографии (SLA)

Промышленные установки начали производиться с

1988 г. компанией 3D Systems Inc (табл. 7). Аналогичные

установки выпускаются другими фирмами в США и Японии

[28, 43, 47, 48].

Все процессы стереолитографии начинаются с

Таблица 7 – Технические характеристики SLA систем

[3D Systems 2000]

Модель

SLA 250/50HR

SLA 3500 SLA 5000 SLA 7000

Тип лазера,

длина волны,

мощность

HeCd,

325 нм,

6 мВт

твердотель-

ный Nd:

YV0

354,7 нм,

160 мВт

Nd –

утроитель

частоты:

YV0

354,7 нм,

216 мВт

Nd –

утроитель

частоты:

YV0

354,7 нм,

800 мВт

Толщина

слоя, мм

0,0625 – 0,1

0,05 – 0,1 0,05 - 0,1

0,0254 –

0,127

Диаметр

луча, мм

0,06 – 0,08 0,20 - 0,30 0,20 – 0,30

0,23 – 0,28

до

0,69 – 0,84

Скорость по-

строения, м/с

0,635 2,54 до 5,0 2,54 – 9,52

Точность по-

зициониро-

вания и восп-

роизводи-

мости, мм

0,0025

0,00177;

±0,005

0,00177;

±0,013

0,001;

±0,001

Максималь-

ный вес

детали, кг

9,1 56,8 68,04 68,04

Объем

ванны, л

32,2 99,3 253,6 253,6

Максимальная

область

построения, мм

250x250x250

350x350x400

508x508x584

508x508x600

Операцион–

ная система

MS-DOS

Windows

Габаритные

размеры, м

1,24x0,69x1,64

0,95x1,02x2,00

1,24x0,69x1,64

Вес, кг 461 1100 1363 1455

проектирования внешних и внутренних поверхностей

изделия с точным указанием всех геометрических элементов

в одной из сред 3D проектирования: AutoCAD, 3D Компас,

Pro-Engineer, 3D Studio и др. Затем 3D CAD модель

преобразуется в STL-файл. Высокая точность и

воспроизводимость строящейся поверхности достигается за

счет увеличения количества треугольников при триангуляции

(рис. 18). С помощью управляющих программ подготовки

процесса построения осуществляется конструирование

технологических поддержек изделия на платформе,

разделение изделия на сечения (слои) с фиксированной

толщиной, определение параметров построения каждого

сечения и далее послойный синтез изделия (рис. 19).

При стереолитографии геометрическое воспроизведение

изделия осуществляется послойно дисперсионным

отвердением жидкого фотомономера с помощью UV лазера

(фотополимеризация) (рис. 20). Луч лазера, управляемый

компьютером, проходит по поверхности жидкого полимера,

сканируя ее часть в плоскости

X Y

в соответствии с

конфигурацией формируемого слоя. В жидкой реакционно-

способной среде порождаются активные центры (радикалы,

ионы, активированные комплексы), которые при

взаимодействии с молекулами мономера вызывают рост

полимерных цепей, ведущий к фазовому изменению

облученной среды – отвердению слоя. Траектория

сканирования лазерного луча по каждому слою сечения,

определяет, в каком месте рабочего пространства плоскости

X Y

лазерный луч фокусируется на поверхности жидкого

мономера и он, полимеризуясь, отвердевает. В той части, где

поверхность не подвергается воздействию лазерного луча,

полимеризация отсутствует. После этого платформа

установки опускается на величину шага, с которым

проводились секущие плоскости теоретической модели. Луч

сканирует конфигурацию второго сечения, потом третьего и

т. д. Так последовательно послойным наращиванием

Сфера

Грубое

сглаживание сферы

Т онкое сгла живан ие

сферы

Правила обход а вершин

треугольни ков

Рисунок 18 – Триангуляция сферы и правила обхода

вершин треугольников

3D -C A D м одель

Преобразование 3D -C A D м одели в форм ат STL-ф айла

Построение технологических опор (поддерж ек)

Разделение STL-ф айла м одели на сечения и подготовка

програм м ы управления лазерны м лучом в каж дом сечении

Синтез сечения

Подъем платф ормы и извлечение изделия

О пускание платф ормы

основания на толщ ину

синтезированного слоя

STL-ф айл

Конец

синтеза

модели?

да

нет

У даление технологических опор и постпроцессоры

Рисунок 19 - Схема управляющей программы обработки