Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В отличие от традиционной технологии механической обработки формообразование изделий процессами послойного синтеза осуществляется непосредственно на основе трёхмерной электронной модели детали путем последовательного добавления объемов материала без применения средств технологического оснащения и в условиях отсутствия ограничений по технологичности изделия. Основой этой технологии физико-технической обработки является энергетическое воздействие, в качестве которого чаще всего используется лазерное излучение, инициирующее различные физические или физико-химические процессы в обрабатываемом материале, такие как фотополимеризация, плавление материала или спекание порошка, реализуемые с привлечением специального аппаратного и программного обеспечения.
В последние годы процессы послойного синтеза находят перспективное применение при создании изделий сложной формы (прототипирование, концептуальное проектирование, медицинская техника, изготовление модельной и инструментальной оснастки, полиграфия и др.). В то же время наряду с несомненными преимуществами эта технология формообразования обладает сравнительно низкой производительностью и высокой энергоемкостью в связи с тем, что требуются затраты времени и энергии на формирование каждой единицы объема детали. Так на изготовление послойным синтезом одного изделия может потребоваться от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от его объёма и формы. Улучшение этих показателей позволит значительно расширить область применения технологий послойного лазерного синтеза в различных сферах науки и техники.
Целью диссертационной работы является повышение производительности и снижение энергоемкости процесса формообразования изделий послойным синтезом путем сокращения синтезируемого объема изделия за счет его армирования.
Научная новизна работы.
-
Разработан способ формообразования изделий, совмещающий послойный синтез с обработкой резанием, основанный на замещении части объема изделия заранее изготовленным армирующим элементом и формировании слоев путем теплового воздействия лазера на полимерсодержащую суспензию.
-
Создана методика расчета геометрических параметров спекаемой области технологической среды вследствие воздействия лазерного излучения.
-
Предложена и экспериментально подтверждена регрессионная модель вероятности отсутствия дефектов в формируемых слоях в зависимости от коэффициента перекрытия треков.
Практическая ценность работы.
-
Разработан способ послойного изготовления армированных объемных изделий (заявка на патент на изобретение №2010151804/20 РФ).
-
Установлено, что для обеспечения прочности соединения сформированных слоев и армирующих элементов, следует при механической обработке последних обеспечивать получение высоких значений шероховатости поверхности.
3. Разработано программное обеспечение (свидетельство №2010615786РФ),
осуществляющее подготовку процесса послойного синтеза и формирующее
управляющие программы для оборудования послойного синтеза армированных
изделий на основе электронной модели изделия.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
Теоретические исследования базируются на фундаментальных положениях коллоидной химии, теории теплопроводности, теории взаимодействия лазерного излучения с веществом, физики полимеров при широком использовании математического моделирования и численных методов с привлечением средств вычислительной техники и современных пакетов математических программ. Исследования выполнялись в лабораторных условиях и включали в себя реализацию разработанного процесса посредством созданного экспериментального стенда, исследование свойств технологической среды, технологических параметров процесса, шероховатости поверхности образцов, полученных обработкой резанием и испытания образцов на прочность скрепления. Исследования проводились с привлечением аппарата математической статистики, в том числе корреляционного и регрессионного анализа. Достоверность результатов исследований подтверждается их воспроизводимостью и апробацией полученных результатов.
Личный вклад автора состоит в постановке задач диссертации, разработке процесса послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий и его программного обеспечения, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке их результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработанный способ, заключающийся в том, что лишь часть объема изделия выполняется послойным синтезом, а остальная часть заранее изготавливается путем механической обработки, позволяет повысить производительность и снизить энергоемкость изготовления изделий в сравнении с селективным лазерным спеканием полимерных порошков на величину до 46% в зависимости от формы изделия за счет сокращения формируемого объема.
-
Вероятность возникновения дефектов в формируемых слоях зависит от коэффициента перекрытия треков и может быть установлена по предложенной регрессионной модели, связывающей данные величины посредством функции Лапласа.
-
Математическая модель температурного поля в процессе формирования слоев при воздействии лазерного излучения и методика определения расчетных значений геометрических параметров спекаемой области на основе параметров режима процесса.
Реализация результатов работы.
На разработанное программное обеспечение получено свидетельство об официальной регистрации (№2010615786 РФ), на разработанный способ послойного изготовления армированных изделий подана заявка на изобретение (№2010151804 РФ). Результаты работы внедрены в НПК «Крона» (г. Ижевск).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на трех Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» - г. Томск (2008, 2009, 2011 гг.), на I Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» - г. Бийск (2010 г.), на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» - г. Одесса (2007г), на IV Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные технологии в образовании, экономике и управлении» - г. Воронеж (2007 г.), на трех Всероссийских научно-практических конференциях с
международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» - г. Юрга (2008, 2009, 2010 гг.), на 6-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» - г. Новосибирск (2008 г.), на V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» - г. Томск (2010 г.), на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» ЮТИ ТПУ (2009г., 2011 г.), на объединенном научно-техническом семинаре ЮТИ ТПУ (2011 г.), на семинаре кафедры ТАМП НИ ТПУ (2011 г.), на семинаре кафедры МСиИ КузГТУ (2011 г.).
Публикации. По содержанию работы и основным результатам исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, один патент на изобретение и две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, изложена на 174 страницах и содержит 67 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 141 источника и пять приложений.
