Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи исследования 12
1.1 Использование моделей, полученных методами быстрого прототипирования, в литейном производстве 14
1.2 Выбор технологии изготовления моделей 32
1.2.1 Программное обеспечение для лазерной стереолитографии . 33
1.2.2. Особенности изготовления фотополимерных моделей 35
1.3 Выбор предмета и постановка задачи исследования 41
Выводы по главе 45
Глава 2. Расширение моделей из фотополимерной композиции при Нагревании 46
2.1 Оборудование для проведения исследований процессов деформации фотополимерных материалов при нагревании 46
2.2 Методика проведения и выполнение экспериментов по изучению изменения размеров образцов из ФПК при нагреве 48
2.2.1 Проведение эталонных исследований на алюминиевом образце 53
2.2.2 Исследование расширения и усадки ФПК при нагреве 56
2.3 Исследование влияния термо-временных выдержек на конечное значение деформации ФПК 61
2.4 Исследование влияния скорости нагрева на конечную деформацию ФПК 66
2.5 Теоретическое определение степени деформации ФПК при нагреве 67
2.5.1 Экспериментальное определение изменение плотности ФПК при нагреве 70
2.5.2 Расчет параметров тепловой деформации 72
Выводы по главе 75
Глава 3. Физико-химическое состояние фотополимерных материалов при выжигании 77
3.1 Оборудование для проведения исследования состояния ФГЖ при выжигании 78
3.2. Методика проведения экспериментов и определения термодинамических параметров гэнтальпии, энтропии, энергии Гиббса 80
3.3. Проведение исследований на ФГЖ при термо - термоокислительной деструкции 82
Выводы по главе 96
Глава 4 Определение порядка химической реакции 98
4.1. Методика определения порядка химической реакции 98
4.2. Расчет порядка химической реакции 99
Выводы по главе 108
Глава 5. Разработка методики расчета технологических параметров изготовления литых деталей по выжигаемым фотополимерным моделям 109
5.1. Требования к вновь разрабатываемым фотополимерам 109
5.2 Анализ экспериментальных и расчетных данных 111
5.3 Методика выбора технологических рекомендации по изготовлению отливок 120
Выводы по главе 123
Глава 6. Внедрение 125
6.1 Технология изготовления отливок из медных сплавов ювелирно-художественного направления 125
6.2 Требования к отливкам, изготавливаемых в ювелирно- художественном направлении 126
6.3. Оборудование для изготовления отливок из медных сплавов 127
6.4 Технология изготовления стальных отливок 130
6.4.1. Требования приемки к стальной отливке «колесо турбины»... 130
6.4.2. Основные геометрические параметры «колеса турбины» 131
6.4.3.Определение технологических параметров изготовления литейной формы 131
6.4.4. Изготовление отливки «Колесо турбины» 134
6.5. Изготовление отливок с применением моделей из ФПК в технологии выплавляемых моделей 143
6.5.1. Изготовление отливок с применением силиконовых форм... 143
6.5.2 Изготовление отливок с применением силоксановых форм... 147
Общие выводы 153
Список использованной литературы 155
Приложения 160
- Выбор технологии изготовления моделей
- Методика проведения и выполнение экспериментов по изучению изменения размеров образцов из ФПК при нагреве
- Методика проведения экспериментов и определения термодинамических параметров гэнтальпии, энтропии, энергии Гиббса
- Расчет порядка химической реакции
Введение к работе
Появление компьютерных систем, оснащенных трехмерной графикой и экспертными системами, позволяет значительно сократить затраты времени и средств на конструирование, технологическую проработку и изготовление деталей методами литейных технологий. С начала 80-х годов стали интенсивно развиваться методы формирования трехмерных объектов путем послойного наращивания материала в заданной области пространства. На базе данного принципа появились методы, которые в англоязычной литературе получили название Rapid prototyping (сокращенно RP - быстрое проектирование). Образованные системы сквозного проектирования на базе компьютерного моделирования носят абревиатуру CAD/CAM/CAE и ориентированы на подготовку производства.
Использование данной системы проектирования позволяет на ранних этапах проектирования проанализировать конструкцию узла, детали и отливки, ориентировать ее в пространстве под заливку и тем самым спрогнозировать ее будущие свойства (в структуре CAD\CAE). Возможность использования установок RP на ранних этапах проектирования, когда идет закладка будущих параметров разрабатываемых изделий, позволяет увидеть будущую деталь, ощутить ее руками, отработать конструкцию, решить вопросы дизайна и прочее. Поскольку требования опытного производства к точности будущих изделий постоянно возрастают, а рынок нуждается в оперативном воплощении идеи в изделие, то появляется необходимость использования полученных моделей по технологии RP непосредственно в производственном процессе.
Широко применяемые на Западе методы быстрого прототипирования в производстве находят применение в опытном, мелкосерийном и серийном производстве. Данные комплексы используют в своей работе такие фирмы как: Boeing, Caterpillar, Мс. Donald Duglas, и др. Стоит отметить, что изготовляемые модели на данных комплексах находят наибольшее применение в литейном производстве: литье в песчаные формы, литье по выжигаемым моделям, изго-
7 товления гипсовых, силиконовых и металлополимерных пресс-форм, а так же
литые штампы для опытного кузнечно-прессового производства. Актуальность работы. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов; повышается точность прототипов и качество материалов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP - системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора.
Уже сегодня Российские предприятия: АОЗТ ОКБ «Сухого», «ММПП Салют», КНАПО (г. Комсомольск на Амуре), НПО «Сатурн» (г. Рыбинск), ОАО «ГАЗ», «ВАЗ» и другие, приобрели и приобретают подобное оборудование. Однако отсутствует подробная информация по особенностям поведения материала моделей, большое разнообразие предлагаемых материалов не позволяет в полной мере использовать возможности технологий с применением быстрых методов прототипирования. Это вынуждает Российские предприятия обращаться за помощью к Западным специалистам.
Наибольший спектр применения моделей RP предлагает фирма 3D Systems на базе комплекса лазерной стереолитографии. Именно этот факт стал ключевым в распространении данной технологии как за рубежом, так и в России.
В данной работе за основу взята именно данная технология с уклоном по изготовлению отливок по выжигаемым фотополимерным моделям. Наибольший материально - экономический эффект при использовании технологии быстрого прототипирования может быть получен в изготовлении сложных литых изделий из широкой номенклатуры сплавов именно по выжигаемым фотополимерным моделям.
Сущность технологии выжигаемой модели заключается в том, что изготовленную методом быстрого прототипирования модель, формуют по стандартной технологии в керамическую оболочку, производят ее выжигание по специальному режиму совмещенной с прокалкой формы. Подготовленную та-
8 ким образом форму заливают расплавом - отливка готова. Однако, на практике
приходится сталкиваться со следующими технологическими проблемами - растрескиванием керамического блока в процессе нагрева до 320 - 350С и засо-рами в отливках. Это накладывает ограничения по применяемым сплавам и геометрии, а также добавляет немало сложностей на этапах подготовки литейной формы под заливку.
В литературе на сегодняшний момент отсутствуют сведения технологического плана, позволяющие проводить нагрев и выжигания фотополимерных моделей. Предлагаемые режимы по удалению фотополимерных моделей не позволяет изготавливать отливки надлежащего качества. Некоторый прогресс достигнут благодаря возможности изготовления пустотелых моделей, который носит название Quick Cast, благодаря чему появилась возможность изготавливать фотополимерные модели с варьируемой толщиной оболочки и внутренней системой подпорок. Наилучшего качества, достигли при изготовлении крупных отливок с толщиной стенок более 15-7-20 мм. Вместе с тем изготовление тонкостенных отливок с толщиной стенки менее 5 мм. вызывает наибольшие трудности и приводит как правило к 80 - 100 % браку литья. Стоит учесть, что модели из фотополимерной композиции, изготовленные по технологии Quick Cast образуют сложные геометрические поверхности, а их сочетание - к сложному поведению модели в процессе нагрева, выжигания и прокалки. Поэтому, разобравшись с формированием моделей в процессе их изготовления на сте-реолитографической установке, поведением моделей во времени, нагреве и разложения их в условиях литейной формы можно обеспечить: повышение качества, сокращение цикла разработки, изготовление пилотных образцов, ускорение внесения изменений в конструкцию, уменьшение цены продукта, улучшение дизайна.
В соответствии с выше изложенным - целью данной работы является исследование поведения фотополимерного материала при нагревании. Снижению брака при изготовлении отливок с применением выжигаемых ФПМ для широ-
9 кого диапазона сплавов и разной сложности. Это позволит изготавливать отливки как из алюминиевых, бронзовых, так и жаропрочных сплавов.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является уменьшение брака при изготовлении отливок повышенной сложности по выжигаемым фотополимерным моделям (ФПМ), в условиях опытно-экспериментального производства.
Объектом исследования является отвержденный фотополимерный композиционный материал (ФПКМ), его процесс изменения размеров при нагревании, термодинамические параметры при изменении температуры.
В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:
Исследовать влияние скорости и времени нагрева на изменение размеров фотополимерных композиционных материалов.
Исследовать факторы, влияющие на процессы деструкции ФПМ при нагревании. Предложить на основе исследований математическую модель состояния материала необходимую для корректировки режима выжигания.
Разработать методику расчета технологических параметров для изготовления отливок методом выжигания.
Повысить выход годного при изготовлении отливок разной сложности из материалов по выжигаемым фотополимерным моделям.
Научная новизна работы:
Установлены дополнительные факторы, влияющие на разрушение керамической литейной формы в процессе выжигания фотополимерных моделей.
Научно обоснованы рациональные условия разложения фотополимерного композиционного материала в литейной форме.
Разработаны требования к вновь разрабатываемым фотополимерным материалам, направленных на получение отливок по выжигаемым моделям.
10 Практические результаты работы:
Выявлено влияние термо-временных выдержек, а так же скорости нагрева на конечную деформацию ФПКМ.
Изготовлен стенд для определения деформационных характеристик ФПКМ и компьютеризирован, а также установка по определению термодинамических параметров при термо- и термоокислительной деструкци-ях.
Накоплен экспериментальный материал по термо- и термоокислительной деструкциях (ТД и ТОД) позволивший определить термодинамические параметры: энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.
Разработана технология изготовления сложных и особо сложных отливок по выжигаемым фотополимерным моделям в литейной форме.
Предложенная технология опробована в лабораторных условиях кафедры МТ - 5 МГТУ Н.Э. Баумана, где получены отливки ювелирного и художественного направления. Так же данная технология опробована в производственных условиях, что позволило изготовить отливку типа «Колесо турбины».
Полученные научно-исследовательские результаты такие как: кинетика теплового расширения ФПКМ, термодинамические параметры разложения, порядок химической реакции позволили определить основные этапы разложения и определить технологические режимы выжигания. Это позволило выполнить работу по изготовлению отливки «Колесо турбины» и тем самым сократить время от разработки чертежа до получения первой отливки среднем от 10 до 100 раз.
Применение данной технологии изготовления сложных отливок по выжигаемой ФПМ позволяет: сократить цикл разработки, улучшить дизайн, повысить качество, уменьшить цену продукта, ускорить внесение изменений в конструкцию при изготовлении опытных образцов изделий.
и На защиту выносится:
результаты исследований кинетики деформации ФПКМ при нагревании и термодинамического поведения ФПК в условиях ТД и ТОД, поведение фотополимера в результате нагрева, а так же физико-математические модели описывающие эти состояния.
Метод удаления ФПКМ из литейной формы.
Разработанный технологический процесс изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.
Выбор технологии изготовления моделей
Представленные методы быстрого прототипирования в разделе 1.1 позволяют получать трехмерные прототипы по компьютерным прообразам с разной точностью, за разное время и стоимостью. Это приводит к тому, что данные установки занимают свою область применения в производстве. Наиболее универсальным комплексом является лазерная стереолитография, который по своим техническим возможностям изготовления моделей позволяет получать как крупногабаритные, так и миниатюрные изделия со сложной геометрией. Недостатком технологии является высокая цена оборудования, расходных материалов, недостаточная предсказуемость поведения фотополимерного материала при выращивании модели, так и при ее дальнейшем использовании (затекание поверхности, усадки, искажении геометрии), что непосредственно влияет на цену конечного продукта. Возможность изготовления фотополимерных моделей по технологии Quick Cast (пустотелые модели) с разной толщиной оболочки позволяет активно применять их в технологии изготовления отливок путем выжигания фотополимерных моделей непосредственно в литейной форме. Спектр применяемых фотополимерных материалов быстро расширяется, появляются материалы с различными механическими и тепловыми характеристиками. Как отмечалось ранее, точность построения моделей на данном оборудовании достигает ± 0,05 - 0,1 мм. Проведенные исследования по сравнению основных методов прототипирования (SLA, SLS, FDM, LOM, SOLIDER) при построении моделей сложной геометрии показал, что временные и финансовые затраты наибольшим образом оправдываются при изготовлении технологической оснастки для производства, а так же изделий сложной формы (снижение затрат до 40 - - 50 %) [41]. Возможность изготовления сложных по геометрии отливок непосредственно по самим моделям, особенно для опытного производства, что увеличивает выигрыш во времени и экономии затрат. На наш взгляд, этими свойствами обладает комплекс лазерной стереолитографии и направление изготовления отливок методом выжигания фотополимерной модели непосредственно в литейной форме.
Как отмечалось выше, лазерная стереолитография включает в себя создание компьютерного образа детали, его разбиение на тонкие слои, расчет траектории движения лазерного луча, формирование технологических подпорок (рис. 1.20) - своего рода строительных лесов, необходимых для фиксации послойно изготавливаемой детали и всех ее элементов на платформе в процессе ее изготовления [29]. Для этого разработано программное обеспечение, которое обеспечивает просмотр и редактирование компьютерных образов объектов в формате STL, который является общепринятым входным форматом для установок лазерной стереолитографии. Изображение 3D, сохраненное в формате STL, представляется в виде многогранной сети с гранями в виде треугольников (рис. 1.21). Рабочая станция SLA извлекает информацию о гранях, наборы контуров, определяющих конфигурацию детали, разбивает объект на слои с определенной толщиной (в зависимости от установки, толщина слоя может составлять от 25 до 200 мкм.), формирует подпорки, рассчитывает оптимальную траекторию заполнения сечений, и формирует управляющую программу для изготовления конкретного объекта.
Основой лазерной стереолитографии является локальное изменение фазового состояния однородной среды (переход жидкость - твердое тело) в результате фотоинициирования в заданном объеме полимеризации. Суть этого процесса состоит в создании с помощью инициирующего лазерного излучения в жидкой реакционно-способной среде активных центров (радикалов, ионов, активированных комплексов), которые взаимодействуют с молекулами мономера, инициируя рост полимерных цепей, т.е. процесс полимеризации. Следствием полимеризации является изменение фазового состояния среды - в облученной области образуется твердый полимер (рис. 1.22). Так как активные центры появляются только в облучаемой области под действием луча лазера. Полимеризация протекает преимущественно в этой области, т.е. достигается пространственная селективность фотоинициированной полимеризации. Активные центры образуются при взаимодействии ФПК с излучением из определенного спектрального диапазона.
Значительное внимание при послойном изготовлении 3D моделей было уделено разработке алгоритма, который используется при формировании траектории лазерного луча для заполнения сечений. Этот алгоритм обеспечивает как устранение деформации объекта в процессе его послойного изготовления, так и компенсацию изменения геометрических размеров в результате деполимеризации в специальных шкафах.
Поскольку оперативное изготовление формообразующей оснастки для разных видов литья является одним из наиболее широко используемых приложений лазерной стереолитографии и требует применения определенных типов ФПК, отвечающих этому назначению. Так, для изготовления литейных форм, путем выжигания фотополиерных моделей фирмой 3D Systems было специально разработано программное обеспечение для изготовления моделей с тонкими стенками и системой жесткости - подпорок. Для этого фирмой Ciba Gagy, для реализации этого стиля, разработала соответствующие ФПК (SL 5170, SL5180, SL5190, SL5510 и др).
Методика проведения и выполнение экспериментов по изучению изменения размеров образцов из ФПК при нагреве
Исследования проводились на ФПК выполненных в виде цилиндрических штабиков с размерами 08x30 мм. Замеры выполнялись с использованием как пустотелых, с толщиной оболочки 0,5мм (выполненных по технологии Quick Cast), так и цельных образцах.
Последовательность проведения экспериментов выглядела следующим образом. Предварительно, за 30 минут до начала проведения эксперимента, включаем усилитель (поз. 9), ЭВМ и производим замер длины испытуемого образца. Проверяем свободу перемещения коромысла, датчика перемещения и при необходимости производим дополнительно смазывание или промывку этих узлов. При проверке уделяем особое внимание правильности выставления масштабных коэффициентов на плате АЦП аппаратным способом и путь записи файла данных. Следующим этапом является установка фотополимерного образца в печь. Условием установки является то, что образец должен быть постоянно подгружен со стороны грузов левого плеча коромысла.
В процессе проведения эксперимента следим за поведением исследуемого материала, записью данных на ЭВМ по результату данных отображаемых на экране монитора (рис. 2.1а) программой поставляемой совместно с платой АЦП. Результатом эксперимента является перестроение данных в зависимость вида є= f(t). Полученные результаты сопоставляются между собой, выявляется закономерность разрушения в зависимости от конструкции образца, материала, скорости нагрева и использования термо- временных выдержек.
Компьютеризованная часть установки по исследованию процессов изменения размеров Для повышения производительности и удобства обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании процессов деформации (рис.2.2.), был реализован вариант компьютеризации исследовательской установки. Путем преобразования аналоговых сигналов (сигнала с термопары и индукционного датчика перемещения) в цифровые с помощью серийной платы АЦП - ЦАП ЛА 70М4 (центр ЗАО «Руднев - Шуляев»).
Данная плата предназначена для сбора данных и рассчитана на использование с компьютерами IBM PC/XT/AT или совместимых с ними (в нашем случае Pentium 166). Функциональные свойства данного устройства следующие: аналогово-цифровой канал (далее АЦК) с 12-и разрядным аналого-во-цифровым преобразователем (АЦП), 16-и разрядный цифровой порт (ЦП) и схема обработки прерываний. Адаптер обеспечивает ввод/вывод 16 цифровых и ввод в компьютер 16 аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую форму. Диапазон входного сигнала для платы ЛА-70М4 ± 5 В. АПК включает в себя входной мультиплексор, полный инструментальный усилитель, устройство выборки-хранения и АЦП. Это позволяет задать 16 каналов однополюсного включения или 8 каналов дифференциального.
Для сбора данных с лабораторной установки при исследовании процессов деформации использовано однополюсное подключение. Данные с лабораторной установки поступают на каналы 0 и 1 внешнего разъема аналогово-цифрового канала ХР2 (рис. 2.3.а).
Однако использование платы аналогового ввода/вывода ЛА-70М4 для компьютеризации исследования затрудняется тем, что она не приспособлена для обработки слаботочных сигналов, которые выдает термопара. Диапазон измерений платы ЛА-70М4 составляет ±5В, а термопара марки ХК имеет диапазон от 0 до 26 мВ. Таким образом потребовалось изготовить усилитель сигнала получаемого с термопары до различимых значений сигнала платы ЛА-70М4. В противном случае точность измерений резко снижается. Для этого был разработан усилитель постоянного тока.
За основу усилителя была взята электрическая схема многофункционального термометра из журнала [4]. Схема была адаптирована для усиления сигнала термопары. Была разработана топология печатной платы и изготовлен первый тестовый экземпляр усилителя. В результате доработки был добавлен делитель в измерительный мост, на выходе усилителя был изменен коэффициент усиления второго каскада схемы. Для возможности измерения положительных и отрицательных величин схема была переведена с однопо-лярного питания на двухполярное. Это также позволило иметь на выходе усилителя нулевое значение измеряемого напряжения. За «ноль» принималась температура таяния льда. Коэффициентом усиления достигался требуемый диапазон измеряемых напряжений. Для питания усилителя используется универсальный блок стабилизированного напряжения ТЕС 1300 К.
Компьютеризованный стенд выполнен из следующих основных частей: ЭВМ на базе Pentium с частотой 166 МГц, ОЗУ 32 МБ, винчестер на 1,28 ГБ; платы ЛА 70М4 (установленной в системном блоке) с программным обеспечением по сбору и хранению экспериментальных данных; коммутаторе принимаемых сигналов от датчиков.
Для приведения полученных результатов деформации ФПК к реальным была выполнена тарировка экспериментальной установки на алюминиевом штабике, тех же размеров. Для этого в предварительно заготовленную таблицу (табл. 5) с интервалом (периодом опроса), отсчитываемой АЦП, производился съем значений перемещения по индикатору часового типа. По окончании проведения эксперимента свели значения перемещения и температуры, записанной платой АЦП в файл, в ту же таблицу. В соответствии с отношением плеч в коромысле (3.81) и зависимостью температуры от показаний напряжения для термопары проводим определение истинного перемещения образца и температуры в печи.
Для отработки методики обработки полученных экспериментальных данных выполняем эталонные эксперименты. Для вывода поправочного коэффициента выполняем поиск зависимости между удлинением образца (перерассчитанного с данных датчика индикаторного типа) и значениями напряжения перемещения записанного платой АЦП (рис.2.4.). Сравнение выполним по значениям коэффициента термического расширения алюминиевого образца табличного значения с экспериментальным.
Методика проведения экспериментов и определения термодинамических параметров гэнтальпии, энтропии, энергии Гиббса
На данной установке по определению изменения давления паров по результатам проведенных экспериментов были рассчитаны термодинамические параметры следующих фотополимеров: SL -5 І 49, SL -5170, SL-5177, НИЦТЛ-1, ИПЛИТ - 1, ИПЛИТ - 2. Для этого в фарфоровую лодочку загружаем предварительно подготовленный исследуемый материал - фотополимер (выдержанный по всем правилам технологии изготовления фотополимерных моделей, и в достаточном количестве по массе, в нашем случае это 1,5 гр.). Помешаем в SI центр алундовой трубки (середину нагревательных элементов) и производим герметизацию реакционного пространства резиновыми трубками. Затем создаем разряжение до 1 кПа и перекрываем кран (поз. 1, рис. З.1.), соединяющий вакуумный насос с реакционным пространством. Дня проверки систему на отсутствие натечек проводим тестирование экспериментальной установки. Для этого в течении от 3 до 5 мин., после создания в реакционном пространстве вакуума и перекрытия крана (поз. 1, рис. 3.1.а), наблюдаем за наличием натечек по показанием вакууметра. При наличии натечек повторяем мероприятия по герметизации реакционного пространства. При их отсутствии создаем начальные условия проведения эксперимента Рост = 1 или 30 кПа путем временного соединения атмосферного давления с реакционным пространством через кран (поз. 4, рис. З.1.). Затем включаем печь. Производим настройку приема и записи сигналов через АЦП. В процессе нагревания системы следим за ходом эксперимента и записью показаний состояния системы - давления и температуры через через АЦП на ЭВМ (рис. З.1.). Полученные экспериментальные данные, аналогичным образом заносим в таблицу программы Excel, где производим обработку согласно описанному ниже математическому аппарату. порядок расчета термодинамических параметров
В соответствии с уравнением Клазиуса - Клапейрона, давление в системе с фазовыми превращениями при постоянном объеме описывается уравнением: где АН - энтальпия (Дж); AS - энтропия процесса термодеструкции, (Дж/(моль К)); R - универсальная газовая постоянная, (Дж/(моль К)); Т -температура, К. Полученные экспериментальные данные вида Р = f(T), переводим в новые координаты вида: LnP - 1/(1000 Т). Данное преобразование позволяет выделить прямолинейные участки, а точки их перегибов свидетельствуют о наличии фазовых превращений, которые происходят в процессе разложения исследуемого материала. Оценку принадлежности экспериментальных данных линейному участку оцениваем с помощью коэффициента детерминации. Данные математические преобразования позволяют определить значения энтропии, энтальпии и по этим данным рассчитать значение энергии Гиббса.
Следующим шагом является выполнение экспериментов по три для каждой марки фотополимерного материала с разными начальными условиями. Результаты представляем в виде таблиц 12, 13. Воспользовавшись программой Excel выполняем обработку массива экспериментальных данных и построение графика вида LnP - 1/(1000 Т). Ручным способом выполняем разбиение массива данных на участки отвечающие линейному виду. Правильность выбора участков, принадлежность выбранных точек этому участку оцениваем статистическим способом, а именно, по коэффициенту детерминации. Выделенные линейные участки, а именно, точки перегиба, позволяют выделить основные этапы разложения и определить наличие фазовых превращений. Диапазон данных, принадлежащий линейной части перестроенной кривой, оцениваем программным способом и определяем уравнение линейного вида (через функцию «линия тренда»). Пример обработки экспериментальных данных представлен на рисунках 3.3., 3.4., а так же данные частично сведены в типовые таблицы 12,13.
В соответствии с проведенными экспериментами и на основе разных начальных условий можно выделить следующие физико-химические процессы объемной абляции: -пиролиз — термодеструкция, когда происходит чисто термическое разложение по следующей схеме: твердая фаза-ІШЕт-каз + новая твердая фаза. - термоокислительная деструкция - процессы происходящие за счет реакции с внешними газами, фильтрующимися по порам и разложение происходит по следующей схеме: твердая фаза + О2-НАГРЕВ- газ + новая твердая фаза. Процесс термодеструкции является эндотермическим и часть теплового потока, подводимого к материалу, поглощается вследствие эндотермического эффекта терморазложения. Газ, образующийся при пиролизе, уносится из материала через поры в окружающуюся среду. Твердая фаза образованная после разложения является обычным коксом, который может образовывать механически прочный каркас. В этом случае пиролитическая фаза материала сохраняется в отдельных частях формы и может быть представлена в виде несвязанных между собой дисперсионных частиц или группы таких частиц [11, 23]. Образованная твердая фаза местами может иметь не углеродистую структуру и тогда пиролитический остаток обладает низкой механической прочностью.
Процесс объемной абляции в фотополимерных композициях, происходящий по схеме термоокислительной деструкции, приводит к реакции между исходным материалом и газовой средой. В этом случае на ранней стадии процесс разложения является эндотермическим, хотя газ проникает по порам, каналам литниково - питающей системы, и только после этого фильтруется в материале. При достижении более высоких температур третьего и выше этапов происходит соединение с кислородом и водородом. Это приводит к возгоранию и дает экзотермический эффект. Скорость термоокислительной деструкции превышает скорость «чистой» деструкции.
Расчет порядка химической реакции
С помощью программы Excel и встроенных функций (ручной и автоматической) поиск решения определяем необходимые коэффициенты [9]. Оценку подбора коэффициентов осуществляем в виде разницы между расчетным (полученным) значением и экспериментальным при помощи коэффициента корреляции. ФПК марки ИПЛИТ 1 в условиях термоокислительной деструкции. Для определения коэффициентов в уравнении (4.9.) воспользуемся программой Excel и ее встроенными функциями (ручной и автоматической) поиск решения. После подбора получается, что А = 0,00028, В = 1014785, соответственно Ki = 0,0398 и к2 = 0,00028. Точность построенной кривой на рисунке 4 определяем с помощью коэффициента корреляции R = 0,9444, который дает возможность установить, на сколько ассоциированы наборы экспериментальных данных по величине с расчетными данными (корреляция близка к ±1), или данные двух диапазонов никак не связаны (корреляция близка к нулю). В нашем случае произведенные вычисления по подбору параметров очень хорошо согласованы с экспериментальными данными и позволяет использовать их.
1. Процесс разложения фотополимерных материалов под действием температуры в условиях термо- и термоокислительной деструкции состоит из нескольких стадий (элементарных реакций) и промежуточных веществ. Это позволяет определить процесс разложения как сложную реакцию разложения. Превращения составляют собой совокупность стадий, протекающих с различной скоростью одновременно или в определенной последовательности друг за другом, поэтому скорость всего процесса является сложной функцией скоростей отдельных стадий.
2. Вьшолненные расчеты по определению порядка реакции показали, что порядок реакции имеет знакопеременный вид и выражен дробными числами.
3. Для полного понимания процесса разложения необходимы дополнительные специализированные исследования. В нашем случае для определения технологических параметров выжигания целесообразно провести комплексный анализ результатов.
Цель данной главы заключается в определении закономерностей разрушения фотополимерного композиционного материала под действием температуры. Исходными данными являются результаты проведенных экспериментов глав 2 и 3, а так же практические результаты в изготовлении отливок.
В целом проведенная работа по исследованию и разработки технологии изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным материалам непосредственно из литейной формы показала, что используемые фотополимерные материалы для этой цели ограничено «подходят». Возможность использования моделей из ФІЖМ в базовых технологиях литья по выплавляемым моделям без доработки достаточно затруднительная задача. Но в опытно - экспериментальном производстве, где затраты по времени и средствам могут быть выше, возможность их применения оправдана.
Для выхода данного направления технологии изготовления отливок на серию необходимо продолжить поиск новых фотополимерных материалов в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями. Для изготовления отливок по выжигаемым моделям с использованием пластиковым моделей, выполненных методом лазерной стереолитографии, необходимо, чтобы помимо свойств необходимых для полимеризации в технологии SLA, материал должно обладать рядом следующих характеристик: 1. После отверждения фотополимерная композиция должна иметь достаточную прочность и твердость. 2. Стабильность размеров моделей при длительном хранении и перепаде температур от -10 С до + 50С. 3. Расширение и усадка полимеризованного материала должна составлять не более 0,1% и быть стабильной. 4. Материал для изготовления фотополимерных моделей должен быть недорогим и недефицитным. 5. Температура плавления должна быть не высокой. 6. Плотность ФПК должна быть невысокой, желательно 900...1000 кг/м3 и менее. 7. Жидкотекучесть неполимеризованной жидкости должна быть достаточно высокой, порядка 4500 Ст, чтобы она могла вытекать из полостей моделей выполненных, по технологии Quick Cast. 8. Недопустимо химическое взаимодействие между моделью из ФПК и материалом литейной формы, модельным составом как при комнатной температуре, так и в процессе выжигания. 9. Модель должна хорошо смачиваться модельным составом и материалом литейной формы. 10.Малая зольность 0,002% при более низких температурах прокалки. 11. Материал фотополимерной композиции должен быть безвредным для окружающих, как при комнатной температуре так и в ходе процесса выжигания. Оценка разработанных фотополимеров, под данное направление изготовления отливок, частично может выполняться по предложенным методикам в главах 2 и 3.
При проведении работ по снижению теплового воздействия со стороны фотополимерной модели на литейную форму было замечено такое поведение материала, которое приводит к появлению брака нового типа. Этот вид дефекта в литературных источниках по данному направлению не был отражен.
Данный дефект возникает при цикловом нагревании фотополимерной модели в условии литейной формы. Из литературных данных известно, что тепловая деформация композиционных материалов обратима при охлаждении после нагрева только до температур начала абляции [11, 24,30]. При нагревании до температур, превышающих температуру начала абляции, зависимость тепловой деформации оказывается необратимой: при охлаждении она не возвращается к своему начальному значению, а смещается в область отрицательных значений (рис. 5.1.). Так при отработке изготовления формы «колесо турбины» керамическая литейная форма на участке температур от комнатной до 350 С была подвергнута четырех разовому нагреванию и быстрому охлаждению. В результате под действием температуры фотополимерный материал претерпевал расширение с размягчением. Резкое остывание привело к тому, что материал вошел в механическую связь с литейной формой и с уменьшением своих линейных размеров начал тянуть за собой облицовочные слои литейной формы. В результате данной цикличности, поверхность литейной формы потрескалась и местами приобрела «кучерявость». Качество потеряно. Данный процесс многократного нагревания не подходит для подготовки формы. Для выявления закономерностей разрушения и поведения фотополимерного материала при нагревании сведем полученные графические результаты на рис. 5.2. - 5.6.
