Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение эффективности изготовления формообразующих элементов оснастки для производства деталей приборов широкого назначения 14
1.1 Актуальность использования ПМ (ІЖМ) в технологии приборостроения.. 14
1.2.Потребность в оперативном изготовлении технологической оснастки 18
1.3. Обзор традиционных методов изготовления технологической оснастки для производства деталей приборов . 21
1.3.1. Традиционные методов изготовления формообразующих элементов оснастки (ФЭО) для производства деталей приборов. 29
1.4. Традиционные современные системы автоматизированного проектирования и изготовления пресс- форм для литья термопластов под давлением на термопласт-автоматах, 30
2. Основные закономерности преобразования исходной информации в виде полутонового изображения (чертежа, рисунка, фотографии) в компьютерную модель сложной формы . ...36
2.1.Общие подходы к моделированию технологических процессов и систем в информационном пространстве свойств .36
2.2. Проблемы проектирования и применения моделей и прототипов при изготовлении изделий сложной геометрической формы ..39
2.3.Новый подход к распознанию полутоновых и цветных изображений при их автоматической обработке 47
2.3.1. Сегментация. . 47
2.3.2.Векторизация 54
2.3.3.Системы оцифровки изображений 69
2.4.Постановка общих задач исследования по получению исходной информации с полутоновых изображений. ...76
2.4.1. Исследование точностных характеристик систем технического зрения при оцифровки плоских деталей сложной формы ...80
2.4.2.Комплес бесконтактного измерения и подготовки исходной информации. ...85
2.4.3. Комплекс бесконтактного воспроизведения воспроизведения
видимых поверхностей жестких и эластичных объектов. ...87
3. Основные закономерности послойного синтеза деталей из полимеризуемых порошковых композиций методом изготовления на 3D принтере 102
3.1. Физико-механические основы процесса полимеризации порошковых композиций 103
3.1.1. Предпосылки использования 3D принтеров в процессах послойного синтеза деталей 103
3.2. Анализ закономерностей послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере 105
3.2.1. Аналитическое исследование закономерностей процесса полимеризации ПКМ струей связующей жидкости 105
3.3. Взаимосвязь технологических характеристик порошковых материалов, связующей жидкости и технологических параметров процесса отверждения порошковых материалов на 3D принтере 109
3.3.1. Анализ закономерностей формирования отвержденного слоя 111
3.3.2. Анализ алгоритма выращивания слоев в процессе послойного синтеза СЛ-моделей на 3D принтере.. .113
3.3.3.Исследование влияния технологических факторов послойного синтеза порошковых материалов на шероховатость поверхности модели...115
3.3.4. Способы снижения усадочных напряжений 120
3.3.5. Обеспечение точности линейных размеров СЛ-моделей 123
4. Разработка технологии оперативного изготовления формообразующих элементов оснастки с использованием метода послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере . 126
4.1. Разработка концептуальной модели " Системы Компактного Интегрального Производства" (СКИПр) 126
4.2. Упрощенные методы изготовления ФЭО оснастки 134
4.3.Технологические возможности 3D принтера .139
Основные выводы . ...150
Список литературы 154
- Обзор традиционных методов изготовления технологической оснастки для производства деталей приборов
- Проблемы проектирования и применения моделей и прототипов при изготовлении изделий сложной геометрической формы
- Аналитическое исследование закономерностей процесса полимеризации ПКМ струей связующей жидкости
- Разработка концептуальной модели " Системы Компактного Интегрального Производства" (СКИПр)
Введение к работе
Актуальность работы. Конкурентоспособность предприятий определяется его высокими потребительскими свойствами и качеством выпускаемой продукции, ее надежность при эксплуатации так же оказывает существенное влияние на конкурентоспособность, поэтому от производителя продукции требуется непрерывное совершенствование производственного процесса.
Методы формообразования деталей в приборостроении, как и в отраслях средств связи (телефонии), являются определяющими, т.к. от них зависят конфигурация, размеры и качественные показатели деталей. Многономенклатурное, интенсивно развивающееся производство требует сокращения сроков освоения выпуска новых деталей. Особую актуальность приобретает ускорение процессов проектирования и изготовления прототипов и моделей будущего изделия, так и производство технологической оснастки для формования деталей. Желательно сразу после автоматизированного проектирования детали переносить конфигурацию ее поверхности на формообразующие элементы оснастки (ФЭО), минуя длительные и трудоемкие этапы изготовления макетной оснастки, но этот процесс значительно усложняется, если исходным носителем информации является эскиз, рисунок, старый чертеж или фотография.
Одним из актуальных вопросов приборостроения является использование новых технологий и материалов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики деталей. Решение данной задачи вместе с достижением роста технико-экономических показателей возможно путем разработки прогрессивных ; технологических процессов проектирования 3D моделей и прототипов и на их основе упрощенное изготовление формующего инструмента, позволяющего с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки, существенно снизить затраты на подготовку производства новых деталей и
7 перейти от крупносерийного и массового производства продукции к производственным системам нового поколения для мелкосерийного производства высокотехнологичной продукции под индивидуальный заказ.
Выбор способа изготовления 3D моделей и прототипов, а также оснастки для формования деталей, имеет важнейшее значение и оказывает решающее влияние на технико-экономические показатели последующего процесса их производства. Так на проектирование и изготовление формообразующей оснастки в настоящее время может затрачиваться до 90 % времени и 80 % трудоемкости от общих затрат на технологическую подготовку производства (ГІДІ) новых деталей. В то же время, производство деталей в современном приборостроении носит преимущественно мелкосерийный характер, что требует создания малооперационных технологических процессов на базе нового оборудования, которое сочетается с высокой производительностью.
Анализ существующих методов изготовления формообразующей оснастки показал, что повышения эффективности ТПП деталей целесообразно использовать новые перспективные методы - технологии послойного объемного синтеза (нанесение слоев порошка с применением 3D принтеров и др.) конструкторских прототипов и мастер-ЗО моделей формообразующих элементов оснастки (ФЭО) сложной конструкции.
Предварительное изучение предметной области показало, что интеграция трехмерного геометрического проектирования и технологических возможностей нанесения слоев порошка с применением 3D принтеров может быть очень эффективна в процессах изготовления ФЭО, т.к. позволяет провести подготовку мелкосерийного производства деталей в сжатые сроки.
8 В настоящее время на базе технологических принципов и систем ЧПУ в России разрабатываются, а за рубежом уже выпускаются 3D принтеры различных модификаций (ZPrinter 310 System, Spectrum Z 510, Z810 System), адаптированные к ним порошковые полимеризуемые композиции (ППК) и программное обеспечение (ПО) технологического послойного объемного синтеза 3D моделей и прототипов. Однако, структура алгоритмов и методика построения ПО скрыта от пользователя. Поэтому, нет уверенности в их полной корректности по точности и достоверности реализуемых в них 3D моделей. В результате возникают серьезные различные проблемы, приводящие порой к материальным и временным затратам при создании технологических процессов синтеза новых деталей, оптимизации технологических параметров, переходе к отечественным ППК, а также к информационной и технико-экономической зависимости отечественных производителей от зарубежных фирм, выпускающих оборудование, ППК и программные продукты.
В связи с этим представляется весьма актуальной задача исследования технологических особенностей ЗОпринтеров, установления и систематизации данных о наиболее важных закономерностях процесса склеивания порошка и технических средствах, применяемых для получения конструкторских 3D моделей и прототипов с требуемыми свойствами, разработки методик расчета и способов оптимизации технологических параметров, поскольку это позволит сформулировать алгоритм построения технологического процесса оперативного изготовления ФЭО и обоснованно осуществить его практическую реализацию.
Целью работы является исследование закономерностей процесса послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере и разработка на этой основе методик расчета технологических параметров формообразования 3D моделей и
9 прототипов с функциональными свойствами, обеспечивающими оперативное получение ФЭО с заданными эксплуатационными свойствами.
Объектом исследования являются модели и прототипы деталей приборостроения, полученные с помощью 3D принтеров методом послойного объемного синтеза.
Предметом исследования является анализ данных, полученных для создания моделей и прототипов на 3D принтере, определение технологических свойств ПМ и ПКМ и технологических параметров процесса формообразования 3D моделей и прототипов, выявление структуры технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для оперативного производства малых партий деталей приборов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ данных, посвященных процессу получения исходной информации для создания моделей и прототипов на 3D принтере, используя в качестве исходной информации полутоновые изображения, полученные с различных установок, в том числе, с цифровых фотоаппаратов.
Провести комплексный анализ данных, посвященных процессу изготовления моделей и прототипов 3D принтером и определить закономерности полимеризации ПМ и ПКМ, лежащие в основе послойного объемного синтеза деталей под воздействием управляемой струи связующей жидкости, выделить технологические свойства ПМ и ПКМ и технологические параметры процесса формообразования 3D моделей и прототипов.
Провести выбор, разработку и обоснование физико-математической модели, полученной на 3D принтере, отражающей взаимосвязь технологических
10 свойств ПМ и ПКМ с технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза получаемых моделей.
Разработать методику расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов с применением 3D принтера, обеспечивающих получение моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками.
Разработать структуру технологического процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для оперативного производства малых партий деталей приборов.
Методы исследования. Для исследования указанных_задач использованы методы математического анализа на основе функций Безье, процессы трехмерного компьютерного моделирования, использованы методы векторизации, сегментации и оцифровки изображений для построения систем быстрого прототипирования и сравнения фактической геометрической формы детали с ее моделью, а также моделирующая программа 3D Me Now professional.
Научную новизну имеют следующие результаты работы: комплексный анализ данных, посвященных применению различных установок для получения исходной информации с полутоновых изображений и применению 3D принтера; моделирование процесса изготовления моделей и прототипов с применением 3D принтера, обеспечивающее установление зависимостей между технологическими свойствами ПМ и ПКМ, технологическими параметрами процесса послойного объемного синтеза, техническими характеристиками оборудования и эксплуатационными характеристиками полученных моделей и прототипов деталей; методика оценки оптимальных технологических параметров изготовления моделей и прототипов на 3D принтере по критерию геометрической точности и шероховатости поверхности, обеспечивающих формирование моделей и прототипов деталей с заданными эксплуатационными характеристиками. - алгоритм (функциональная модель) процесса сквозного проектирования и изготовления ФЭО для производства малых партий деталей, применяемых в приборостроении и средствах связи.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, базирующегося на фундаментальных положениях теории 3-х мерных твердотельных моделей, применением специального оборудования типа установок технического зрения и 3D принтеров, полнотой и корректностью исходных предпосылок, а также результатами программного обеспечения в среде 3D Me Now professional 2, позволяющими создать модели и прототипы для ряда деталей приборостроения.
Практическая значимость работы и предлагаемых технических решений заключается в разработке: - методики преобразования сложных полутоновых изображений в исходную информацию, позволяющую в аналитическом виде описать процесс моделирования и построения компьютерных моделей и прототипов и под воздействием управляемой струи связующей жидкости, обеспечивать получение моделей из порошковых материалов с заданными свойствами и конфигурацией; методики расчета технологических параметров изготовления моделей и прототипов на 3D принтере, позволяющей в аналитическом виде описать процесс формообразования под воздействием управляемой струи связующей жидкости; технологических процессов, обеспечивающих геометрическую точность форм сложных моделей и прототипов в процессе проектирования и формообразования стабильность формы и размеров деталей; сквозного технологического процесса изготовления ФЭО с использованием методики повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности синтезируемых деталей за счет внесения коррективов в исходную информативную базу; способов снижения градиента степени конверсии порошкового олигомера в объеме деталей; способов повышения межслоевой прочности и изотропии свойств порошкового полимера, образующегося в процессе послойной полимеризации; функциональной структуры процесса изготовления ФЭО, основанной на базе новой производственной концепции «Системы компактного интегрального производства» (СКИПр), подборе аппаратурного оформления, обеспечивающего оперативное изготовление ФЭО, а, следовательно, ускорение ТПП деталей в приборостроении.
13 Автор выносит на защиту: результаты анализа технологических возможностей получения компьютерных 3D моделей с использованием в качестве исходной информации сложных полутоновых изображений (эскиза, рисунка, цифровой фотографии); результаты анализа технологических возможностей формообразования деталей из полимеризуемых порошковых композиционных материалов (ПМ, ПКМ) на 3D принтере; методику расчета технологических параметров и результаты моделирования процесса послойного объемного формообразования деталей из ПМ или ПКМ на 3D принтере; результаты теоретических и экспериментальных исследований точности и производительности метода изготовления 3D моделей и прототипов на 3D принтере; результаты экспериментального исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов на точность размеров, физико-механические характеристики объемных моделей и прототипов; функциональную структуру сквозного технологического процесса оперативного проектирования и изготовления ФЭО с использованием мастер-моделей, изготовленных на 3D принтере; изготовление по мастер-модели формообразующей оснастки из КМ (композиционных материалов) для последующего изготовления натурных изделий.
Обзор традиционных методов изготовления технологической оснастки для производства деталей приборов
Современные тенденции производства требуют быстрой смены номенклатуры и конструкции деталей из ПМ, изделия одинаковой формы выпускаются, как правило, небольшими партиями. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является создание технологических процессов, обеспечивающих оперативное изготовление формующего инструмента, позволяющих с наибольшей эффективностью использовать достоинства быстро переналаживаемой оснастки и обеспечить рыночную конкуренцию.
Одна из важнейших задач при разработке технологических процессов (ТП) изготовления деталей в приборостроении связана с необходимостью снижения объемов и сроков технической подготовки производства сокращения материальных, энергетических и трудовых затрат [1-3].
Анализ ТП, реализующих высокопроизводительные способы изготовления деталей, показывает, что для их осуществления требуется использование специальных материалов - ПМ (ПКМ) и сложной формообразующей оснастки (пресс-форм, литьевых форм, штампов и т.п.) [4-6]. Часто для производства единицы продукции требуется изготовление большого числа элементов формообразующей оснастки. В условиях рыночной экономики, когда требуется в сжатые сроки осваивать выпуск новых изделий, особую актуальность приобретает ускорение процесса проектирования и изготовления технологической оснастки для формования деталей. Чтобы оценить важность и значимость данной проблемы кратко рассмотрим основные этапы создания изделия из ПМ и ПКМ [1] при использовании традиционных подходов.
В соответствии с техническим заданием на проектирование вначале разрабатывается конструкторская документация на изделие и выбирается наиболее подходящий для его изготовления ПМ или ПКМ. Затем разрабатывается ТП изготовления изделия, включающий выбор метода формования и соответствующих средств технологического обеспечения, определение содержания и последовательности технологических операций, назначение режимов формования. Следующим шагом является разработка конструкторской документации на технологическую оснастку (рабочие чертежи формообразующих элементов, стандартных и нормализованных деталей, литниковой системы т.д.), подбор и комплектация типового блока (пресс-формы, штампа и т.п.), изготовление формообразующей оснастки. В дальнейшем осуществляется выпуск опытной партии изделий, доработка технологической оснастки, оптимизация режимов формования и производство изделий заданной формы и качества в соответствии с программой выпуска Этапы проектирования и изготовления технологической оснастки традиционными способами являются трудоемкими и дорогостоящими во всем цикле производственного процесса [2], вносящими значительный вклад в технологическую себестоимость изделий. Время проектирования формующей оснастки на одно изделие в зависимости от сложности его конфигурации может составлять от 1 до 3 месяцев, изготовления - от 2 до 8 месяцев и более, затраты на конструирование и изготовление формующего инструмента составляют до 85% от общей стоимости разработки ТП производства изделий [2,4]. От правильности принятия решений на этих этапах в значительной степени зависит величина затрат времени и средств при ТПП новых изделий. После разработки ТП изготовления промышленной серии изделий наступает важный и ответственный этап - его практическая реализация. Часто на этапе выпуска опытных партий изделий, в процессе которого осуществляется доводка оснастки и оптимизация технологических параметров формования, обнаруживаются ошибки, совершенные на ранних стадиях проектирования ТП (при отработке технологичности изделия), а также на стадии конструирования оснастки. Причем, допущенные недочеты воплощаются в реально изготовленном формующем инструменте и, как правило, могут быть обнаружены не только в момент установки его на оборудовании, но и в процессе эксплуатации (например, спроектированная оснастка "несопрягаема" с литьевой машиной, на деталях образуется облой, недостаточна прочность оформляющих знаков и т. д.). В итоге приходится заново возвращаться к проектированию ТП, устранять и корректировать обнаруженные ошибки, что ведет к значительным потерям времени и средств, увеличению сроков ТПП и удлинению периода продвижения изделия на рынок, отрицательно сказывается на конкурентоспособности выпускаемой продукции.
Таким образом, для обеспечения быстрой смены дизайна и номенклатуры деталей из ПМ необходимо в первую очередь обеспечить эффективное выполнение этапов проектирования и изготовления формообразующей оснастки. С точки зрения конструкции оснастки существенного сокращения сроков ТПП, снижения материальных и трудовых затрат можно достичь путем перехода на универсально- переналаживаемую оснастку [1]. Блоки со сменными пакетами (формообразующими элементами-вставками) по своим технологическим характеристикам мало отличаются от специальных пресс-форм и позволяют обеспечить в большинстве случаев оптимальный режим формования изделий из ПМ. Они отличаются простотой переналадки, надежностью, экономичностью.
В сравнении со специальной оснасткой блоки со сменными пакетами позволяют снизить трудоемкость проектирования на 50-70 %, изготовления на 50-80 %, время на переналадку на 50-60 %, уменьшить металлоемкость оснастки и размеры складских помещений. Однако, даже использование переналаживаемой оснастки, изготовляемой традиционными способами, не решает обсуждаемую проблему.
Проблемы проектирования и применения моделей и прототипов при изготовлении изделий сложной геометрической формы
Современные системы компьютерного проектирования (CAD), позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку и конструирование новых изделий. Однако проблема изготовления первого физического образца и даже отдельной детали для изделия сколько-нибудь сложной формы остается наиболее узким местом, поскольку разработка технологии изготовления детали и соответствующей оснастки зачастую требуют затрат, сопоставимых со стоимостью разработки самого изделия. Примерно с начала 80-х начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов не путем удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путем постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным образам - технологии быстрого прототипирования [11].
Быстрое прототипирование (RP-технология) включает современные прогрессивные компьютерные технологии изготовления физических прототипов деталей. С точки зрения конструкторов «быстрое прототипирование» означает быстрое прямое преобразование компьютерных моделей в физический, осязаемый объект. В большинстве случаев использование RP приводит к получению формы или модели, которая используется для подготовки реального производства. В некоторых случаях получаемый объект просто используется конечным пользователем причем такого рода использование с каждым годом увеличивается. Эффект от использования RP проявляется в значительном, в десятки раз, сокращении времени и затрат на разработку новых изделий, а также повышения качества разработки. Конструктор получает в свои руки рабочую модель почти так же легко и быстро, как чертеж с принтера или плоттера, что позволяет значительно повысить эффективность его работы. Во всем мире число установок RP насчитывается десятками и их число быстро растет. Крупные компании, как правило, эксплуатируют до десятка установок, более мелкие пользуются услугами специализированных центров. В настоящее время используется несколько технологий быстрого прототипирования Самыми распространенными из них являются: 1 стереолитография ((SLA - Sterolithography); 2 многоструйное моделирование (MJM - Multi-Jet Modiling) - лазерное спекание порошков (SLS - Selective laser Sintering) - нанесение термопластов (FDM - Fused Deposition Modeling); - моделирование при помощи склейки (LOM - Laminated Object Manufacturing) Технология SLA - это технология, основанная на использовании фотополимеризации лазерным излучением. Такой процесс был первым процессом RP, который использовался в серийно выпускаемых установках. Технология, которая получила название «лазерной стереолитографии» (Laser Sterolithography) или просто «стереолитографии» несмотря на появление других технологий, остается наиболее используемой . Она также обладает широкой базой работающих установок - около 80% оборудования используют различные варианты процесса стереолитографии. Стереолитография представляет собой технологию для изготовления твердых полимерных объектов путем последовательного "наращивания" одного над другим тонких слоев материала, отверждаемого в специальной жидкости- фотополимере под действием ультрафиолетового или лазерного излучения. Излучение, освещающее поверхностный слой жидкости, используется для формирования твердого элемента в форме поперечного сечения разрабатываемого объекта. После этого объект отодвигается по программе от поверхности жидкости на толщину одного слоя и формируется очередной элемент, соединяемый непосредственно с предшествующим слоем, образуя разрабатываемый объект. Процесс продолжается до тех пор, пока объект не будет сформирован 12]. За считанные часы конструкторская идея трансформируется в реальную модель, которая отличается высокой точностью и стабильностью размеров. Стереолитографическая модель позволяет конструктору: -изучать и анализировать дизайн разрабатываемого изделия; -осуществлять функциональное тестирование конструкции детали, проверяя ее в сборке; - использовать ее как мастер-модель для создания литьевых и пресс - форм посредством использования технологий заливки гибких силиконовых и эпоксидных форм; -напыления металлических покрытий; -гальванопластики и электоэррозии; - получать металлические детали литьём по выжигаемым моделям; - демонстрировать преимущества готовящейся к производству продукции на маркетинговых презентациях. Позволяя реально представлять и оптимизировать конструкторские идеи, стереолитография на 50-80% сокращает полный цикл разработки изделий и даёт возможность мгновенно реагировать на изменения потребностей рынка [13,18,19], По технологии MJM построение модели производится с помощью специальной струйной головки, подающей расплавленный материал (технический воск на основе парафина со специальными ингредиентами) на рабочую платформу, где {(выращивается» модель [14]. SLS-модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае, в отличие от SLA- процесса, лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Огромным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессах SLA и MJM при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется! однородной массе. После построения модели достаточно лишь высыпать остаточный порошок из внутренних полостей и модель готова к дальнейшей работе [15].
Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM заключается в послойной укладке расплавленной полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD [16]. Математическая модель передается в специальное программное обеспечение, под управлением которого работают установки FDM. Программа ориентирует модель оптимальным для построения образом, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Геометрия модели-прототипа выстраивается выдавливанием расплавленной нити через основную фильеру головки. Вторая фильера выстраивает поддержку. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели. Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки. Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивая отдельные части).
Аналитическое исследование закономерностей процесса полимеризации ПКМ струей связующей жидкости
Принцип создания моделей-прототипов по технологии FDM заключается в послойной укладке расплавленной полимерной нити в соответствии с геометрией математической модели детали, разработанной в системе CAD [16]. Математическая модель передается в специальное программное обеспечение, под управлением которого работают установки FDM. Программа ориентирует модель оптимальным для построения образом, разбивает ее на горизонтальные сечения (слои) и рассчитывает пути перемещения головки, укладывающей нить. При необходимости автоматически генерируются опорные элементы (поддержка) для нависающих фрагментов модели. Геометрия модели-прототипа выстраивается выдавливанием расплавленной нити через основную фильеру головки. Вторая фильера выстраивает поддержку. Слои наращиваются один за другим, вплоть до завершения построения модели. Возможно параллельное изготовление нескольких деталей, если они вписываются в рабочую зону установки. Прототипы, размеры которых превосходят габариты рабочей зоны, можно моделировать по частям, а затем собирать в единое целое (например, склеивая отдельные части).
После окончания процесса моделирования изделие можно практически сразу использовать; ему не требуется длительная последующая доработка. Точность изготовления моделей-прототипов, изготовленных по технологии FDM, достигает 0,127 мм, что сравнимо с точностью пластмассовых деталей, изготовленных в обычных инжекционных пресс- формах. Установки FDM работают с различными моделирующими материалами: ABS -пластиком, поликарбонатом, полифенилсульфоном и т.д. Преимуществом этих материалов является то, что они используются в производстве конечных продуктов. Они отличаются прочностью и термостабильностью, не деформируются, не дают усадку и не впитывают влагу, обеспечивая, таким образом, высокую точность и функциональность моделей-прототипов - из них можно собирать действующие прототипы. . Если для построения модели - прототипа использовалась поддержка, то после завершения процесса она легко отделяется от модели механическим способом или вымывается специальным водным раствором в ультразвуковой ванне. LOM- процесс также включает в себя лазер, который слой за слоем вырезает контуры сечений по CAD- данным. CAD- данные поступают в систему управления LOM станком, где с помощью специального программного обеспечения создаются поперечные сечения детали. Луч лазера вырезает контур сечения в верхнем слое, а затем разрезает области излишнего материала для последующего удаления. Новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термо - валиком и создается новое поперечное сечение, которое затем также вырезается. После того, как все слои будут изготовлены, избыточный материал удаляется вручную. Поверхность детали шлифуется, полируется и окрашивается.
Благодаря использованию недорогих твердых листовых материалов, LOM- модели отличаются своей надежностью, устойчивостью к деформациям и относительно низкой стоимостью, не зависящей от геометрической сложности детали.
Все описанные выше технологии предполагают наличие трехмерной компьютерной модели детали исходной информацией для которой служит чертеж изделия.. Общим для всех существующих технологий является также то, что материал детали не выбирается из объема, а послойно наращивается. От толщины слоя зависит точность и время изготовления модели-прототипа детали.
В настоящее время стереолитографию начинает вытеснять появившийся недавно процесс послойного синтеза порошковых материалов на 3D принтере, который представляет собой технологию для изготовления твердых полимерных объектов путем последовательного "наращивания" одного над другим тонких слоев материала, отверждаемого специальной жидкостью без воздействия
ультрафиолетового или лазерного излучения, как при процессе стереолитографии. Воздействующая на поверхностный слой порошка струя жидкости, используется для формирования твердого элемента в форме поперечного сечения разрабатываемого объекта.
После этого объект отодвигается по программе от поверхности жидкости на толщину одного слоя и формируется очередной элемент, соединяемый непосредственно с предшествующим слоем, образуя разрабатываемый объект. Процесс продолжается до тех пор, пока объект не будет сформирован. За считанные часы конструкторская идея трансформируется в реальную модель, которая отличается высокой точностью и стабильностью размеров. И в отличии от стереолитографической модели она экологически более чистая, более стабильная к воздействию окружающей среды и позволяет конструктору: - изучать и анализировать дизайн разрабатываемого изделия; -осуществлять изготовление сборочных узлов; - осуществлять изготовление эластичных деталей и сборочных узлов; -осуществлять функциональное тестирование конструкции детали, проверяя ее в сборке; - использовать ее как мастер-модель для создания литьевых и пресс - форм посредством использования технологий изготовления «быстрой оснастки», такой как заливка в гибкие силиконовые и эпоксидные формы; Технологии быстрого прототипирования заняли прочное место практически во всех областях материального производства в индустриально развитых странах. Очевидный прогресс в промышленности этих стран не в последнюю очередь обусловлен стремительным развитием RP-технологий [14]. На рубеже веков мы стали свидетелями настоящей технологической революции, значение которой мы еще не в полной мере осознаем, но уже очевидно, что оно поистине огромно. Современный конструктор, разрабатывающий холодильный прибор или космический аппарат, уже не мыслит создание своего детища без PR технологий.. В то же время на рынке представлено очень много фирм, предлагающих широкий спектр оборудования для быстрого прототипирования: от настольных устройств типа «принтер», до профессиональных стационарных инструментов, рассчитанных на решение широкого спектра задач. Выбор того или иного инструмента в конечном итоге зависит от потребителя и будет определяться его конкретными целями и возможностями (в том числе и финансовыми). Правильно выбранная технология быстрого прототипирования не только ускорит процесс разработки новых деталей и подготовки их производства, снизит затраты на проектирование, но и позволит перейти на качественно новый уровень конструкторско- технологической деятельности.
Разработка концептуальной модели " Системы Компактного Интегрального Производства" (СКИПр)
В тех случаях, когда требуется дизайнерская проработка изделия или его восстановление с использованием в качестве прототипа или мастер- модели очень часто пользуются системой оцифровки изделия или его изображения. Обзор Разработок систем оцифровки изображения, основанных на триангулировании и интерференционном проецировании, началась десять лет назад.[ 30 ] Такие системы производят сканирование поверхности произвольной формы в трех измерениях. Сегодня эффективные системы оцифровки используются в промышленности, а также применяются в процессе разработки продукции. Так как сейчас доступно функциональное оборудование для оцифровки, позволяющее получить достаточное количество информационных точек, узким местом становится обработка данных измерений. Для типичных приложений моделирования поверхности требуются параллельные сечения. Для формирования быстрого обмена с САПР и системами быстрого моделирования обычно требуется формат STL с разбиением поверхности на треугольные фрагменты. В системах контроля качества также часто используются оригинальные данные сканирования или прошедшие обработку данные, которые служат для сравнения фактической геометрической формы детали с ее моделью.
Дизайн является ключевым фактором в признании новой продукции. Изделия должны соответствовать пользовательским требованиям «впечатлений и ощущений», которые, наравне с высокими характеристиками, являются неотъемлемыми требованиями к популярной потребительской продукции. Поверхности произвольной формы, отвечающие данным требованиям, создаются с учетом эстетических, эргономических и технических требований. Как следствие, трехмерное моделирование требует огромных временных и капитальных затрат. Поверхности произвольной формы могут представляться в виде контуров в трехмерном пространстве, которые не могут быть описаны с помощью стандартных геометрических форм. Цифровое конструирование таких поверхностей с помощью САПР стало возможным с 1985 года. Поверхности произвольной формы использовались как в авиационной и автомобильной промышленности, так и в потребительских товарах и виртуальной реальности. На рис. 27и 28 показан контур мотоциклетного сиденья в виде чертежа САПР и затененного изображения.
В общем, конструирование все еще начинается с физической модели Оцифровка затем обеспечивает исходные данные для моделирования поверхности. 2. Требования к измеряющей системе. Качество поверхностей, а также временные затраты на конструирование поверхности зависят от точности и разрешающей способности по сечению сканируемых данных.
Обычно сканирование моделей производится на координатно-измерительных машинах (КИМ) с тактильными датчиками, либо на устройствах лазерного сканирования, производящих сечения. Данный способ отнимает значительное время и выдвигает существенные требования к оборудованию, однако обеспечивает результаты измерений достаточной точности. Однако для всех последующих шагов обработки данных существует проблема низкого разрешения в сечениях (большое расстояние между сечениями), характерная для получаемых таким путем данных. Проблемы вытекают из неподвижности таких систем. Так как глиняные модели не обладают большой стабильностью и поэтому не могут транспортироваться, КИМ в процессе моделирования занимается на целые недели, несмотря на то, что сам процесс измерений занимает всего несколько часов. Необходимость доставки тяжелых металлических штампов к КИМ приводит К возникновению транспортных расходов и продлению простоев штамповочных линий. Поэтому к эффективным При измерениях сложных объектов на них устанавливаются эталонные отметки, координаты которых определяются методом фотограмметрии (см. ниже). Данные отметки определяют систему координат объекта в конкретных диапазонах объекта. С помощью сенсора, который может свободно перемещаться на штативе, записываются три одиночных вида. Затем виды автоматически трансформируются в систему координат объекта с использованием эталонных отметок.
При записи видов важно обеспечить одновременное видение обеими камерами хотя бы трех эталонных отметок. Их трехмерные координаты вначале определяются в координатной системе сенсора, затем пересчитываются в глобальную систему координат. Аналогичная трансформация используется для привязывания точек поверхности к системе координат объекта. Время измерения для вида с 1 300 000 координат составляет около 7 сек. Оцифровка всей поверхности модели корпуса автомобиля в масштабе 1:1 занимает приблизительно шесть часов, включая обработку данных. Ход процесса измерений от вида к виду можно наблюдать на мониторе. Подробности, не зафиксированные при первом измерении, могут быть вновь обнаружены и измерены.
Система отслеживает внешние искажения, такие как внешние вибрации, и может при необходимости повторить измерения. Объем измерений может быть индивидуально выбран в зависимости от потребностей пользователя. Одинаковые сенсоры могут использоваться, например, как для измерений автомобиля масштаба 1:1, так и, после небольших переделок, занимающих около 15 минут, небольшой детали, такой как рычаг или переключатель.
