Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Анализ технологий быстрого прототипирования и постановка задач исследования 6
ГЛАВА II Экспериментальные исследования применимости rp-технологий 22
2.1 Анализ технологических и эксплуатационных свойств материалов, используемых в RP-технологиях 23
2.2 Актуальность и целесообразность исследования возможности изготовления оптических изделий RP - методами 26
2.3 Предварительный выбор материалов для изготовления оптических деталей методами быстрого прототипирования 30
2.4 Проверка оптических характеристик материалов, используемых в эксперименте 34
2.5 Исследование материалов для создания моделей на пригодность их использования при изготовлении силиконовых форм 36
2.6 Анализ технологий изготовления моделей в применении к выбранным материалам 40
2.7 Определение геометрических параметров моделей оптических деталей, изготовленных методом послойного синтеза на 11Р-установке.45
2.8 Применение RP - технологий в процессе изготовления оптических изделий 51
2.9 Выбор типовых представителей оптических деталей для разработки технологии литья 65
2.10 Отработка технологии изготовления оптических деталей из полиуретанов методом вакуумного литья в силиконовые формы при различных режимах и схемах заливки 67
ГЛАВА III Разработка методик использования технологий быстрого прототипирования на разных стадиях изготовления изделий 84
3.1 Методика изготовления сборной модели изделия 86
3.2 Методика доводки оптических поверхностей изделий, полученных с помощью RP - технологии 88
3.3 Методика изготовления изделий из полиуретанов методом литья в силиконовые формы 89
3.4 Методика изготовления пресс-форм с использованием принципов RP -технологий 93
ГЛАВА IV Особенности расчета экономической эффективности использования rp - технологий в приборостроении 96
Заключение 112
Библиографический список 114
- Актуальность и целесообразность исследования возможности изготовления оптических изделий RP - методами
- Исследование материалов для создания моделей на пригодность их использования при изготовлении силиконовых форм
- Методика доводки оптических поверхностей изделий, полученных с помощью RP - технологии
- Методика изготовления пресс-форм с использованием принципов RP -технологий
Введение к работе
Резкое ускорение темпов развития многих отраслей деятельности человека - реальность нашего времени. В странах с развитой рыночной экономикой достигнут самый высокий результат этой деятельности при ведущей, решающей роли технологии и неразрывно связанной с ней экономики. В силу различных обстоятельств Россия оказалась в роли догоняющей и для нас исследования, направленные на решение насущных технологических проблем, являются особенно актуальными. Ведущая роль приборостроения в техническом прогрессе общепризнанна, а значит, решение технологических проблем в этой отрасли имеет особую и теоретическую, и практическую значимость.
Последними достижениями в технологии создания изделий являются так называемые генерированные технологии, особенно их разновидность -Rapid Prototyping (технологии быстрого прототипирования или RP-технологии). Это не только принципиально новые технологии, позволяющие изготавливать изделия практически любой формы без традиционных станков, инструментов и оснастки, но и технологии, обеспечивающие резкое сокращение времени всего цикла создания изделия: от возникновения идеи до выхода изделия на рынок.
Как известно, в реальной рыночной экономике главной конечной целью является получение максимальной прибыли. Известно также, что это возможно как минимум при двух условиях:
• отсутствие конкурента на рынке, т.е. выход на рынок ранее конкурентов;
• обеспечение высокого качества изделий.
Для выполнения этих главных условий у RP - технологий в настоящее время нет конкурентов.
Основной задачей данной диссертационной работы является проведение исследований, позволяющих использовать RP - технологии в создании приборов в условиях реальной российской экономики. При этом впервые создание приборов от возникновения идеи до серийного производства рассматривается как единый процесс. Разработанные методики использования RP - технологий на различных этапах создания приборов позволяют минимизировать время создания и обеспечивают высокое качество приборов. Эти методики проверены при создании конкретных изделий и могут быть использованы для обеспечения вышеуказанных условий при создании любой приборостроительной продукции.
Актуальность и целесообразность исследования возможности изготовления оптических изделий RP - методами
Производство оптических приборов различного назначения непрерывно растет, возрастают и их технические возможности. В связи с этим постоянно расширяется ассортимент используемых оптических материалов, диапазон их оптических, механических и физико-химических свойств, что определяет особенности технологии изготовления оптических деталей из них. Одновременно происходит усложнение формы и точностных параметров оптических деталей, расширяется их номенклатура. Это привело к появлению новых принципов изготовления оптических деталей, использованию новых материалов, созданию современного автоматизированного оборудования и средств контроля, использованию широкого ассортимента инструментов и вспомогательных материалов [26, 31].
В основе любого оптического прибора лежит оптический элемент, изготовленный из какого-либо вида оптического материала. Используя свет как основной вид рабочей энергии, в настоящее время можно решать не только традиционные задачи оптики в микроскопии, спектроскопии, фотографии и т.п., но и наиболее экономичным и эффективным образом решать ряд задач в таких отраслях народного хозяйства, как связь, механическая и химическая технологии, энергетика. Для этого требуется, прежде всего, комплекс оптических материалов с разнообразными физико-химическими свойствами [25].
Наряду с неорганическими материалами (стекла, кристаллы, керамика) в оптической промышленности все более широкое применение находят органические полимеры. Прозрачные полимерные материалы следует рассматривать не как заменители неорганического оптического стекла, а как материалы, способствующие новому решению многих задач, в том числе связанных со снижением массы и повышением экономичности изделий. Применение органических стекол в оптических системах обусловлено их малой плотностью, высоким сопротивлением удару и легкостью переработки в изделия практически любой формы, а также бесцветностью и прозрачностью. Себестоимость полимерных деталей в три-пять раз ниже себестоимости деталей из неорганического стекла. Кроме того, эффективность применения полимеров в оптике основана на уменьшении затрат на материалы и их переработку.
Наиболее часто для оптических целей применяют термопластичные материалы: полиметилметакрилат, поликарбонат, полистирол и его сополимеры с метилметакрилатом [17, 24, 26].Прозрачные термопласты применяют для изготовления очковых и контактных линз, деталей визиров фото- и киноаппаратов, луп, различных защитных стекол, колпаков и крышек. Из полимерных материалов изготавливают линзы Френеля, сферические и асферические зеркала, осветительную оптику для прожекторов, железнодорожных сигналов и наблюдательных приборов.
Основными характеристиками любого способа переработки полимерных материалов являются его трудоемкость и точность изготавливаемых деталей. При назначении технологического процесса изготовления деталей оптического назначения необходимо учитывать требования, предъявляемые к оптическим характеристикам деталей, а также серийность их производства [26].
Для изготовления оптических изделий массового и крупносерийного производства наиболее рациональным способом является литье под давлением. Однако когда необходимо изготовить небольшое количество изделий, возникает проблема. В данном случае могут помочь новые технологии быстрого прототипирования и литье полиуретанов в эластичные силиконовые формы в вакууме.В связи с этим были проведены экспериментальные исследования, благодаря которым удалось осуществить разработку методов и технологий прототипирования оптических элементов с использованием технологий трехмерного компьютерного моделирования, а также оборудования для быстрого прототипирования.
Исследования были проведены на базе двух технологий: трехмерная печать (рис. 2.1) - для изготовления моделей изделия; литье в эластичные силиконовые формы (рис. 2.2) - для изготовления непосредственно партии изделий. На начальной стадии данного экспериментального исследования осуществлен анализ свойств материалов, поставляемых различными фирмами и подходящих для проведения этих исследований: полиуретаны для вакуумного литья в силиконовые формы, а также различные силиконы для изготовления эластичных форм.
Поиск материалов производился на основе использования Internet, путем прямых контактов с представителями фирм, производящих полиуретаны и силиконы, а также путем опроса фирм, являющихся потребителями указанных материалов. Результаты поиска представлены в таблицах 2.2, 2.3, 2.4. Анализ свойств этих материалов позволил установить наиболее приемлемые для изготовления оптических деталей.полиуретаны, которые являются пригодными для производства оптических деталей. Предварительный выбор осуществлялся на основе анализа характеристик материалов, предложенных производителями. Для дальнейших исследований были выбраны оптически прозрачные материалы. Результаты выбора представлены в таблице 2.5.
Для изготовления форм из гаммы силиконов, предлагаемых различными фирмами, предпочтение было отдано силикону ESSDL 291 (AXSON), выбор которого обусловлен высокой стойкостью форм при изготовлении деталей с поднутрениями, высокой точностью воспроизведения модели и прозрачностью материала, упрощающей формирование поверхности разъема формы.
Исследование материалов для создания моделей на пригодность их использования при изготовлении силиконовых форм
В соответствии с вышеприведенной классификацией оптических деталей по геометрическим признакам (см. п. 2.6) изготовлены типовые представители из каждой группы (см. рисунок 2.5).
Оптические детали и их модели нуждаются в контроле параметров оптических поверхностей. К параметрам, которые обычно контролируются в процессе изготовления деталей, относятся габаритные размеры (толщина, диаметр, длина, ширина и т.п.), отклонения формы, взаимного расположения поверхностей, а также шероховатость поверхности. Для измерения габаритных размеров обычно используют приборы и устройства общепромышленного назначения. К ним, в частности относятся микрометры, штангенциркули, индикаторы и т.д. Контроль поверхностей оптических деталей на соответствие тому или иному параметру шероховатости производится обычно путем визуального сравнения их с образцами шероховатости, заранее аттестованными с помощью какого-либо измерительного прибора [26].
С целью определения оптимальных параметров процесса создания моделей оптических деталей с требуемыми точностными характеристиками методом послойного синтеза на RP-установке, были проведены экспериментальные исследования, основанные на теории планирования эксперимента [1, 2, 20, 21, 32, 34].
На точность построения моделей, их шероховатость, максимальные отклонения взаимного расположения поверхностей влияет соотношение размеров изготавливаемого изделия.Для исследования была использована установка израильской фирмы Objet Quadro Tempo, которая не позволяет варьировать ни толщину слоя, ни скорость выращивания модели.
Одним из влияющих на точность модели фактором может служить использование материала поддержки. На сегодняшний день уже наработан экспериментальный опыт, позволяющий определять в каждом конкретном случае необходимость использования материала поддержки.
Исходя из всего вышесказанного, в качестве основного влияющего фактора был выбран следующий: соотношение размеров изготавливаемой модели (Xi).
В качестве функций отклика были выбраны: шероховатость поверхности (уь у2); максимальные отклонения взаимного расположения поверхностей (уз); максимальные отклонения формы поверхностей (у4); максимальные отклонения размеров (ys).
Число опытов в полном факторном эксперименте (ПФЭ)определяется по формуле N = 2 , где п - число факторов. При n = 1 число опытов составляет 2. В данном конкретном случае существует только один варьируемый фактор. Для получения наиболее точных результатов число уровней варьирования данного фактора было увеличено до трех.
Для каждого из 4 изделий, представленных на рисунке 2.5, уровни варьирования фактора Xi заданы в таблицах 2.11 - 2.14.
При изготовлении изделия «Пластина» важно обращать внимание на соотношение длины пластины к ее толщине. Чем больше это соотношение, тем больше вероятность коробления и отклонений формы поверхностей.поддержки.Исходя из проведенного эксперимента, можно сделать следующие выводы.
При изготовлении изделия «Куб» размеры модели существенно не влияют на отклонения формы, на отклонения взаимного расположения поверхностей, а также на шероховатость поверхностей. С другой стороны заметна тенденция к ухудшению выходных характеристик с увеличением габаритных размеров. Данный недостаток можно устранить путем введения поправочных коэффициентов в программу установки быстрого прототипирования.
При изготовлении призмы размеры изготавливаемого образца никак не повлияли на шероховатость поверхности. Отклонения взаимного расположения поверхностей и отклонения размеров с увеличением габаритных размеров также незначительны.При изготовлении пластины важно учитывать соотношение габаритных размеров. Эксперимент показал, что чем больше соотношение длины пластины к ее толщине, тем большие отклонения размеров и форм поверхностей получаем на выходе. Форму поверхностей в таком случае можно исправить, применяя терморихтовку между стальными плитами.
При изготовлении линзы наблюдалось незначительное ухудшение выходных характеристик с увеличением радиуса линзы. Таким образом, при изготовлении линзы с радиусом 100 мм необходимо вводить поправочные коэффициенты в программу RP-установки.оптических изделийВ результате изготовления модели на RP-установке на ее поверхностях образуется система уступов, высота которых определяется толщиной слоя, геометрией поверхностей, «стратегией выращивания» модели. Для достижения технических требований, предъявляемых к оптическим поверхностям модели, необходима их дополнительная обработка - многоступенчатая финишная обработка, которая складывается из 3 основных этапов: шлифование - операция, позволяющая удалить структуру уступов, оставшихся после «выращивания»; это первоначальное приближение к геометрии, подготовка к доводке; собственно доводка - операция, призванная привести геометрию поверхности к требованиям чертежа, подготовить ее к полированию;
Методика доводки оптических поверхностей изделий, полученных с помощью RP - технологии
Для получения отливок полимерных оптических деталей из оптически прозрачных полиуретанов методом вакуумного литья в силиконовые формы необходимо обеспечить следующие технические требования: точность выполнения оптических поверхностей (отклонение от заданной геометрии) - в пределах 2-3 мкм; шероховатость оптических поверхностей по параметру Rz не более 0,08 мкм.
Как уже было отмечено, при построении литейной модели методами быстрого прототипирования невозможно достичь вышеуказанных показателей. В связи с этим была разработана методика доводки поверхностей модели, приведенная ниже:1. Поместить модель в специальную емкость.2. Тщательно размешать силикон.3. Поместить емкость с силиконом в вакуумную камеру и произвести дегазацию.4. Залить силикон в емкость с моделью.5. Поместить емкость с моделью в вакуумную камеру.6. Выдержать модель в силиконе в вакуумной камере в течение 10 минут.7. Провести операцию полимеризации силикона, поместив модель в специальную камеру, соблюдая температурный (50 С) и временной (8 часов) режимы.8. Вынуть емкость с моделью из камеры и отделить силиконовую подложку от изделия.
В результате проведенной обработки происходит практически полный перенос инородных включений с поверхности модели в силикон, что обеспечивает требуемый уровень шероховатости поверхностей модели.В приборостроении, в частности в оптической промышленности, все более широкое применение находят полимерные материалы [26, 31, 76]. Пластмассы способствуют новому решению многих задач. Поэтому исследование новых способов получения изделий из пластмасс является актуальным.
Литье в эластичные силиконовые формы в вакууме на сегодняшний день является наиболее распространенной технологией, позволяющей получать опытные образцы и небольшие партии пластмассовых изделий за очень короткое время. В связи с этим, именно эта технология была использована для проведения исследования. Для изготовления оптических деталей была разработана специальная методика изготовления изделий из полиуретанов методом литья в силиконовые формы.
Ниже приведена разработанная методика, адаптированная к технологии изготовления специальной оптической детали «Отражатель» (рис. 3.1):«ИРисунок 3.2. Модель изделия «Отражатель»2. Подготовить емкость (опалубку) и поместить туда модель изделия.3. Тщательно размешать силикон.4. Поместить силикон в вакуумную камеру и произвести дегазацию.5. Вынуть силикон из вакуумной камеры и залить в емкость с моделью.6. Поместить опалубку в установку для дополнительной дегазации на 10 минут.7. Произвести полимеризацию силикона, поместив модель в специальную камеру, соблюдая температурный (50С) и временной (8 часов) режимы.8. Вынуть емкость с моделью из камеры.9. Извлечь блок силикона из опалубки.Ю.Разрезать силиконовую форму по разделительной плоскости.11.Извлечь модель изделия (см. рис. 3.3).12.Обработать силиконовую форму антиадгезивом.13.Соединить обе части полученной формы (рис. 3.4) и поместить взаливочную установку. 14.Тщательно взвесить компоненты материала, поместить в вакуумнуюкамеру и произвести дегазацию. 15.Смешать компоненты и залить в силиконовую форму.
В крупносерийном и массовом производствах пластмассовых изделий стойкость пресс-форм должна обеспечивать изготовление тысяч изделий, что предопределяет необходимость использования металлических пресс-форм из качественных сталей. Проблема усложняется тем, что для получения высококачественных изделий необходимо обеспечить строгий и равномерный режим охлаждения пластмассы в пресс-форме. Практически это означает, что охлаждающие каналы должны максимально повторять формы изготавливаемых изделий, что невозможно сделать с помощью традиционных технологий.
Как известно, RP - технологии за счет послойного наращивания изделия позволяют получать любую форму и размеры поверхностей, включая закрытые полости. В результате анализа современных возможностей технологий быстрого прототипирования было определено, что для вышеуказанной цели больше всего подходит идея RP -технологии с использованием листовых материалов.
В результате была разработана методика изготовления металлических пресс-форм для массового изготовления пластмассовых изделий, представленная ниже:1. Изделие, в данном случае пресс-форму, спроектировать на компьютере (при этом форма и размеры охлаждающих каналов соответствуют строгим теоретическим расчетам, гарантирующим высокое качество изготавливаемого изделия).2. По результатам компьютерного проектирования изготовить каждый слой с помощью лазерной установки из листового материала требуемой марки (в частном случае эту операцию можно выполнять с помощью традиционных технологий, например, фрезерованием).3. Собрать в пакет изготовленные из листового металла слои пресс-формы и сжать их с помощью специальных устройств, например, скоб.
Методика изготовления пресс-форм с использованием принципов RP -технологий
Основные этапы изготовления формообразующих пресс-формы традиционными методами: проектирование изделия - чертеж; операционный эскиз изделия с указанием всех размеров, с учетом усадки при литье, а также с указанием технологичности изделия (поднутрения); составление программы для станка с ЧПУ; изготовление формообразующей на станке с ЧПУ. Появление технологий быстрого прототипирования позволяет ускорить и удешевить процесс изготовления формообразующих для литьевой пресс-формы. Технология лазерного спекания порошковых (SLS) материалов кратко описана в главе I. Преимущество этого метода заключается в том, что наряду с пластмассами можно изготавливать изделия из всех материалов, которые под воздействием тепла расплавляются, а затем при охлаждении вновь отверждаются. Таким образом, можно использовать и металлические порошки, а это существенно увеличивает область применения данной технологии.
При помощи процесса SLS можно изготовить вставки в матрицы пресс-форм. При этом по причине послойного изготовления, можно изготовить изделия сложнейшей геометрии, а также каналы охлаждения, которые повторяют форму самого изделия, что традиционными методами сделать практически невозможно. Это способствует наилучшему качеству будущего изделия.
Основные этапы изготовления формообразующих пресс-формы, используя принципы технологий быстрого прототипирования: проектирование изделия в системе трехмерного компьютерного моделирования; изготовление модели изделия на RP-установке с целью оценки дизайна, геометрической точности, а также функциональных и других свойств будущего изделия; возможная корректировка конструкторской документации и изготовление изделия на RP-установке.
Благодаря использованию любой системы трехмерного компьютерного моделирования, первые два пункта традиционной технологии изготовления можно объединить в один, сократив соответственно время проектирования, и избежать возможных ошибок в конструкции.Для оценки дизайна недостаточно лишь чертежа изделия и даже трехмерная модель на экране компьютера не дает полного представления о внешнем виде изделия. Благодаря технологиям быстрого прототипирования, можно изготовить реальную физическую модель будущего изделия. Это позволит своевременно, на ранней стадии изготовления изделия, увидеть и избежать возможные ошибки и недостатки в конструкции изделия. Недостатки технической подготовки производства неизбежно сказываются и на самом производстве: возникает большое количество различных технических и организационных неполадок, особенно при внедрении в производство новых изделий. Ошибки, допущенные при конструировании изделия, при разработке технологической документации, вызывают перерывы в работе, увеличивают затраты на производство продукции, затягивают сроки освоения новых изделий [33].
В итоге, значение такой реальной модели трудно переоценить. Если на стадии изготовления такой модели обнаружены ошибки в конструкции, то они могут быть устранены еще до изготовления формообразующих. Таким образом, появляется существенная экономия, как материала, так и времени на изготовление.Исследованиями установлено, что чем на более поздней стадии изготовления изделия обнаружены недостатки или ошибки в конструкции, тем дороже получается их устранение [10,48].
На графике 4.1 приведено сравнение фиксированной общей стоимости изделия с произведенными затратами в процессе проектирования.Как уже было сказано ранее, фактор «время» является ключевым фактором для успеха изделия. Ускорение процесса проектирования изделия дает возможность уже на ранней стадии проектирования, когда произведенные затраты еще невелики, установить достаточно точно величину дальнейших расходов.
Так из графика видно, что после окончания концептуальной фазы проекта израсходовано только около 5 % общей стоимости, но уже становится известно примерно 75 % общей стоимости.. Кроме того, ход кривой показывает также, что ясность с затратами к началу фазы проектирования изделий еще незначительна. Так, после фазы «идея» только 40 % общей стоимости проекта устанавливается достаточно точно. При этом очень важно не только обязательно найти правильное решение, но и сделать это как можно раньше. Изменения становятся тем дороже, чем позднее они происходят. Как видно из рисунка 4.2, стоимость экспоненциально растет для запоздало обнаруженных изменений в проекте изделия с процессом его проектирования.
В логарифмическом масштабе эта зависимость выглядит как прямая линия. Следует подчеркнуть, что речь идет об аналогичных изменениях, но выполняемых на разных стадиях проектирования. Из этого следует не только то, что изменения конструкции с продвижением проектирования изделия дороги и расточительны по времени, но также и то, что слишком поздно обнаруженный недостаток изделий может вызвать расходы, делающие нецелесообразным их дальнейшее производство. Очевидно, что ведущей величиной для оптимизации общей прибыли является минимизация времени проектирования, а расходы следует рассматривать как переменную, зависящую от времени [10].
Принятие того или иного решения при разработке новых или совершенствовании действующих технологических процессов изготовления приборостроительной продукции всегда основывается на сравнении полученных технико-экономических показателей возможных вариантов [18, 28].Среди инструментальных видов деятельности, определяющих стоимость, изготовление оснастки занимает ключевую позицию. И цена на конечное изделие сильно зависит от стоимости оснастки, т.е. в конечном итоге, от способа ее изготовления [61, 62].Поэтому для оценки экономической эффективности использования RP-технологий в приборостроении выбрано сравнение затрат именно на изготовление оснастки традиционными методами и с использованием технологий быстрого прототипирования.
