Введение к работе
Актуальность. В настоящее время для поддержания конкурентоспособности производства требуется до минимума сократить время от разработки изделия до его появления на рынке. Предприятие, раньше других адаптирующееся к ситуации на рынке, чаще обновляющее ассортимент выпускаемой продукции, имеет значительное преимущество перед конкурентами.
Значительно сократить время создания новой продукции позволяет концепция компактного интеллектуального производства (КИПр) и, как одно из основных средств реализации этой концепции, технология послойного синтеза (ТПС). В основе этой технологии лежит принцип формирования объекта (изделия) путем последовательного «наращивания» его слоев.
Из методов ТПС наиболее широкое применение благодаря своей универсальности получила лазерная стереолитография — формирование изделия путем преобразования жидких мономеров в твердые полимеры под действием луча лазера. Лазерная стереолитография позволяет с высокой точностью (50мкм) воспроизвести изделие согласно его математической модели. Изделия легко поддаются последующей механической обработке, что позволяет применять их в качестве мастер-моделей для изготовления высокоточной оснастки для литья.
Характерной особенностью прототипов изделий, используемых в аэрокосмической промышленности, является их высокая сложность и необходимость в точном воспроизведении как геометрических форм моделей, так и массовых и прочностных характеристик изделий. Прототипы используются для проведения аэродинамических испытаний, натурного моделирования, отработки конструктивных и технологических решений. Прототипы могут использоваться и как мастер-модели для изготовления оснастки. Метод изготовления изделий «по слоям» предопределяет «ступенчатость» поверхности, а значит, особое значение имеют вопросы точности воспроизведения формообразующих поверхностей моделей. После изготовления модели методом послойного синтеза, она обрабатывается неавтоматизированными методами. И чем точнее воспроизведена исходная геометрическая модель на этапе изготовления — тем быстрее и качественнее будет произведена обработка. Таким образом, себестоимость изделий, получаемых с использованием метода лазерной стереолито-
графии, определяется, главным образом, двумя составляющими: стоимостью изготовления модели и стоимостью ее последующей обработки.
В связи с этим основной путь к уменьшению стоимости изделий — повышение производительности оборудования и точности воспроизведения модели, которые во многом определяются качеством проведенной технологической подготовки производства. Для задания наилучших параметров процесса необходимо учитывать множество факторов, влияющих на процесс изготовления изделия.
Предметом исследования явились технологический процесс послойного синтеза объемных моделей конструкторских прототипов и технологической оснастки с элементами формообразования сложных конструкций. Потребности в обеспечении необходимой точности воспроизведения моделей и прототипов, их адекватности виртуальному образу, заложенному в проекте, предопределили необходимость в подробном научном анализе технологического процесса формообразования изделий на основе использования процессов лазерной стереоли-тографии, материалов и программного обеспечения.
Цель работы. Исследование технологического процесса изготовления изделий методом лазерной стерео литографии; повышение точности изделий в сочетании со снижением их себестоимости и увеличением производительности процесса; автоматизация технологической подготовки производства (ТИП) изделий, изготавливаемых методом лазерной стерео литографии.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
Проанализировано содержание технологического процесса сквозного проектирования и изготовления технологической оснастки для оперативного производства малых партий деталей приборов.
Проведен отбор исходных данных и методов их обработки для создания программ подготовки технологического процесса стереолитографии, позволяющих создавать объемные модели и прототипы технологической оснастки с требуемыми параметрами качества.
Проанализированы закономерности отверждения полимеризую-щихся материалов применительно к послойному объемному синтезу деталей
методом лазерной стереолитографии, выделены приоритетные свойства материалов и соответствующие им технологические параметры процесса формообразования объемных моделей и прототипов, определяющие требуемые параметры качества.
Проведена всесторонняя оценка процесса стереолитографии, позволившая более точно установить взаимосвязь технологических свойств полиме-ризующихся материалов с технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза получаемых моделей.
Разработаны методики расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов, обеспечивающие получение моделей и прототипов деталей с заданными геометрическими характеристиками.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, системного анализа, планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана и введена классификация факторов, влияющих на процесс послойного синтеза методом лазерной стереолитографии, по источнику их возникновения и степени влияния;
разработана методика обработки исходных данных, позволяющая оценить точность воспроизведения форм и скорость процесса получения изделий методами послойного синтеза;
предложен способ решения задачи повышения производительности изготовления изделий методами послойного синтеза;
предложены алгоритмы и программное обеспечение для анализа исходных данных и автоматизации процесса технологической подготовки производства;
Практическая ценность. Предложены рекомендации по проведению технологической подготовки производства изделий методом лазерной стереолитографии;
Разработана методика обработки данных САПР, позволяющая в аналитическом виде описать точность воспроизведения форм и скорость процесса получения изделий методами послойного синтеза.
Разработана методика расчета технологических параметров изготовления изделий методом лазерной стереолитографии, позволяющая получать изделия с заданными свойствами и конфигурацией.
Созданы алгоритмы, обеспечивающие технологическую подготовку производства изделий и повышающие геометрическую точность и стабильность форм получаемых сложных моделей и прототипов.
Создано программное обеспечение (ПО) для автоматизации процесса ТПП, реализующее разработанные алгоритмы.
Использование рекомендаций и ПО, предложенных в работе, позволяет до 30% сократить себестоимость изделий, полученных на оборудовании лазерной стереолитографии, более эффективно использовать ресурс оборудования, облегчить выбор параметров технологического процесса с точки зрения качества изделий и производительности оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты многофакторного анализа процессов прототипирования изделий сложных форм по критерию цена/качество.
Обоснование выбора процессов лазерной стереолитографии в формообразовании изделий сложных форм
Обоснование основного фактора воспроизводимости изделия для процесса лазерной стереолитографии — ориентации прототипируемого изделия в рабочей зоне формообразования
Принципы автоматизации процесса выбора ориентации прототипируемого изделия для минимизации влияния человеческого фактора и оптимизации ориентации изделия сложных форм в рабочей зоне по критерию его воспроизводимости .
Математическую модель производительности технологического процесса лазерной стереолитографии и способ оценки точности прототипируемого изделия, позволяющие решить задачи увеличения производительности процесса стереолитографии без потери качества за счет автоматизации оценки качества получаемого изделия.
6. Алгоритмы и программное обеспечение автоматизации технологической подготовки производства для лазерной стереолитографии
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VI и VII Международных конференциях «Лазеры в науке, технике, медицине» (Суздаль, 1995г, Сергиев Посад 1996г), I Всероссийском семинаре «Лазерно-компьютерные технологии создания деталей сложной формы» (Шатура, 1996г), IX и XVI Международных научно-технических семинарах "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 2000, 2007гг), опубликовывались в Интернете на Общероссийском сайте по технологиям быстрого прототипирования.
Результаты исследований, проведенных в работе, внедрены в производство в ОАО «НИИТавтопром», ООО «ИФ АБ Универсал», РЦ «МАИ»
Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы 6 докладов на Международных конференциях, 4 статьи в рецензируемых изданиях, написаны разделы двух отчетов по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (103 наименования) и двух приложений (на 20 страницах), изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 41 рисунок, 11 таблиц.
