Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы и средства создания изделий оптического назначения из полимерных термопластичных материалов 12
1.1 Тенденции перехода к использованию полимерных материалов при создании изделий оптического назначения 12
1.2. Технологии производства изделий из полимерных материалов и организация производства в зависимости от серийности 21
1.3 Применение систем компьютерного моделирования в технологической подготовке производства 27
1.4 Выводы и результаты по Главе 1 38
Глава 2. Модель и методики технологической подготовки производства изделий оптического назначения из термопластичных полимерных материалов 40
2.1 Разработка процесса технологической подготовки производства оптических изделий из термопластичных полимерных материалов 41
2.2 Разработка методики проведения компьютерного моделирования для подбора режимов литья, определения дефектов и факторов, влияющих на качество оптических изделий 60
2.3 Предварительный компьютерный анализ процессов литья и подготовка к планированию эксперимента, с использованием методов робастного проектирования 64
2.4. Выводы по Главе 2 81
Глава 3. Использование компьютерного моделирования для выбора конструктивно-технологических решений при подготовке производства литьевых изделий оптического назначения из термопластичных полимерных материалов и контроль качества 83
3.1 Компьютерное моделирование литья под давлением оптических изделий из термопластичных полимерных материалов 83
3.2 Производство формообразующих деталей на станках с ЧПУ 100
3.3 Производство оптических изделий из термопластичных полимерных материалов литьем под давлением, и контроль качества 106
3.4 Выводы по Главе 3 125
Глава 4. Совершенствование процессов технологической подготовки производства и управление проектной информацией 127
4.1 Применение аддитивных технологий для повышения производительности и повышения качества получаемых изделий. 128
4.2 Информационное обеспечение процессов ТПП изделий из полимерных оптических материалов 133
4.3 Распределенный доступ и совместное использование информационной системы при проектировании и ТПП оптических изделий из полимерных оптических материалов 142
4.4 Выводы по Главе 4 146
Заключение 148
Список используемых источников 150
- Технологии производства изделий из полимерных материалов и организация производства в зависимости от серийности
- Разработка методики проведения компьютерного моделирования для подбора режимов литья, определения дефектов и факторов, влияющих на качество оптических изделий
- Производство формообразующих деталей на станках с ЧПУ
- Информационное обеспечение процессов ТПП изделий из полимерных оптических материалов
Технологии производства изделий из полимерных материалов и организация производства в зависимости от серийности
При выборе материала также необходимо учитывать величину его усадки. Средние значения линейной усадки для аморфных материалов составляют до 1 %, для полукристаллических до 2-3 %. Избыточная усадка будет негативным образом сказываться на оптических характеристиках получаемого изделия [7,67]. Также высокая мутность, не позволяет относить прозрачный материал к оптическим. В частности, MABS обладает мутностью 3 %, поэтому его нельзя применить для производства линз, но благодаря своим прочностным характеристикам этот материал хорошо подходит для прозрачных экранов приборов либо для прозрачных демонстрационных корпусов. Полипропилен обладает также повышенной мутностью (до 25 %), поэтому он нашел широкое применение в бытовом производстве (пленки, тара). Требования к качеству изделий оптического назначения высокие, поэтому необходимо осуществлять жесткий контроль. Параметры необходимо контролировать не только у линзы, но и у всего оптического изделия в сборе. Рассматривая «неизображающую» оптику, опираются на чертеж изделия и требования технического задания. Целесообразно разделить параметры контроля на 6 групп: размерные, оптические, технологические, химические, механические температурные [12]. Контроль оптических изделий производится, с учетом технологии, по которой они были произведены. Использование контактных методов измерений, может поцарапать уже готовое изделие. Однако, при серийном производстве линз по технологии литья под давлением допустимо проводить выборочный контроль отливок, при этом разница одной от другой при постоянстве условий будет невелика.
Наиболее важным является контроль оптических поверхностей изделия, которые отвечают за формирование оптического изображения. Действие оптической поверхности с точки зрения физической оптики сводится к изменению направления распространения и формы волнового фронта, а с точки зрения геометрической оптики – к изменению направления хода лучей [40, 63].
Качество изготовления оптических поверхностей в большой степени определяет окончательное качество прибора. Для высокоточных поверхностей допустимое отклонение действительной формы поверхности от теоретической составляет десятые и сотые доли микрометра. По данным [109, 116] допуски на оптические изделия крайне жесткие и порой сравнимы с длиной волны, для контроля с такой точностью необходимы соответствующие средства измерений. При этом для изделий класса «изображающей» оптики важность выполнения более жестких требований, связанных с качеством, выше, чем для изделий «неизображающей» оптики. Основные методы оценки качества связаны с контролем линз из стекла. При этом некоторые параметры для линз являются завышенными, что влечет удорожание производства. Поэтому в настоящее время происходит снижение некоторых требований к поверхностям оптических изделий [24], при этом качество передаваемого линзой «изображения» не должно ухудшаться. По результатам проведенного анализа определено, что существуют технические возможности для более широкого применения полимерных материалов при производстве изделий оптического назначения. Наличие возможности изготовить изделия из ПМ с оптическими характеристиками, не уступающими произведенным из стекла, подтверждает целесообразность развития данной области и адаптации существующей ТПП под данный вид изделий. Отсутствие четких требований к качеству и выстроенных процессов производства подобных изделий, создают необходимость более глубокого изучение данной проблемы.
Технологии производства изделий из полимерных материалов и организация производства в зависимости от серийности
Выбор технологии производства изделий из полимерных материалов многообразен и определяется серийностью, требуемым качеством, геометрией и формой изделия. Поскольку изготовление оптических деталей более сложная задача в связи с повышенными требованиями к точности и качеству поверхностей, то возникают определенные ограничения на применение той или иной технологии [7, 51].
В мировой практике при производстве единичных образцов либо прототипов широко используются аддитивные технологии [29, 100, 101, 121]. Наличие прозрачных материалов позволяет создавать с использованием таких технологий изделия, подобные изделиям из стандартных прозрачных пластиков. Данные материалы обладают низкой усадкой и высокой степенью гладкости поверхности (Objet VeroClear, Objet RGD720) [101]. Анализ применения данных технологий показывает, что основная направленность их использования – создание моделей с высокой степенью детализации для проверки на собираемость, создание прозрачных корпусов и дизайнерских оригинальных вещей. Поскольку используемые фотополимеры лишь имитируют прозрачные материалы подобные ПММА, то они не являются оптическими и производство линз невозможно. Также низкая температура стеклования 48-50 0С сильно ограничивает диапазон использования изделий, созданных по данной технологии. При необходимости производства малой партии изделий, можно прибегнуть к технологии литья под вакуумом в силиконовые формы. Данная технология, как и аддитивные, является технологией «быстрого производства» (Rapid Manufacturing). В технологической цепочке быстрого производства изделий литьем в силиконовые форм можно выделить основные этапы. В начале с использованием аддитивных технологий (либо изделия-аналога) создается мастер-модель, что позволяет провести контрольную сборку и оценить внешний вид изделия, выявить недостатки и исправить их. Для дальнейшей работы мастер-модель обрабатывают и подготавливают для изготовления силиконовой формы [25].
Затем переходят к изготовлению средств технологического оснащения (СТО), Rapid Tooling), в данном случае литейной формы. Создается литниковая система, выпоры; конструкция помещается в опалубку и полностью заливается жидким силиконом. После чего форма разрезается и вынимается мастер-модель. Заливка двухкомпонентных полиуретанов проводится под вакуумом, после чего форма в течение нескольких часов выстаивается в термошкафу. После отверждения материала форма разбирается и вынимается готовая деталь.
Разработка методики проведения компьютерного моделирования для подбора режимов литья, определения дефектов и факторов, влияющих на качество оптических изделий
Выбор технологии производства изделий из полимерных материалов многообразен и определяется серийностью, требуемым качеством, геометрией и формой изделия. Поскольку изготовление оптических деталей более сложная задача в связи с повышенными требованиями к точности и качеству поверхностей, то возникают определенные ограничения на применение той или иной технологии [7, 51].
В мировой практике при производстве единичных образцов либо прототипов широко используются аддитивные технологии [29, 100, 101, 121]. Наличие прозрачных материалов позволяет создавать с использованием таких технологий изделия, подобные изделиям из стандартных прозрачных пластиков. Данные материалы обладают низкой усадкой и высокой степенью гладкости поверхности (Objet VeroClear, Objet RGD720) [101]. Анализ применения данных технологий показывает, что основная направленность их использования – создание моделей с высокой степенью детализации для проверки на собираемость, создание прозрачных корпусов и дизайнерских оригинальных вещей. Поскольку используемые фотополимеры лишь имитируют прозрачные материалы подобные ПММА, то они не являются оптическими и производство линз невозможно. Также низкая температура стеклования 48-50 0С сильно ограничивает диапазон использования изделий, созданных по данной технологии. При необходимости производства малой партии изделий, можно прибегнуть к технологии литья под вакуумом в силиконовые формы. Данная технология, как и аддитивные, является технологией «быстрого производства» (Rapid Manufacturing). В технологической цепочке быстрого производства изделий литьем в силиконовые форм можно выделить основные этапы. В начале с использованием аддитивных технологий (либо изделия-аналога) создается мастер-модель, что позволяет провести контрольную сборку и оценить внешний вид изделия, выявить недостатки и исправить их. Для дальнейшей работы мастер-модель обрабатывают и подготавливают для изготовления силиконовой формы [25].
Затем переходят к изготовлению средств технологического оснащения (СТО), Rapid Tooling), в данном случае литейной формы. Создается литниковая система, выпоры; конструкция помещается в опалубку и полностью заливается жидким силиконом. После чего форма разрезается и вынимается мастер-модель. Заливка двухкомпонентных полиуретанов проводится под вакуумом, после чего форма в течение нескольких часов выстаивается в термошкафу. После отверждения материала форма разбирается и вынимается готовая деталь. Готовое прозрач Рисунок 1.3. – Силиконовая форма для литья под вакуумом в разобранном виде ное изделие показано на рисунке 1.3. В технологии вакуумного литья в силиконовые формы используются двух компонентные полиуретаны, которые обладают различными физико механическими свойствами основных пластиков, таких как ПММА, полистирол,
АБС, полиамид, полиэтилен и.т.д., поэтому есть возможность производства про зрачных изделий. Наличие полиуретанов, подобных ПММА, позволяет использо вать данную технологии для производства изделий оптического назначения. Бла годаря этому появляется возможность удешевить и ускорить процесс производст ва малых партий изделий. Наиболее эффективное применение данной технологии возможно для производства малых партий деталей.
В свою очередь, необходимо отметить основной недостаток данной технологии – низкая точность получаемых изделий. Это означает, что в основном данная технология может быть применена для создания опытных образцов, для их отладки, проверки или использования их в качестве выставочных изделий. Таким образом, данную технологию можно использовать либо для изделий, требующих невысокую точность, либо в качестве переходного этапа к технологии литья под давлением.
Исследование возможности применения аддитивных технологий при производстве оснастки для производства оптических изделий перспективно и целесообразно в связи с тем, что их применение снижает время, трудозатраты на этапе ТПП при выпуске малых партий изделий.
Проведенный анализ технологических методов производства полимерных изделий оптического назначения позволяет выделить наиболее приемлемые современные технологии [7, 14, 16, 48].
Методом литья под давлением производится большая часть изделий из полимерных материалов. В связи с высокой производительностью и относительно высокой стоимостью оснастки имеет смысл переходить к данной технологии только при крупносерийном и массовом производстве изделий [76]. Однако, можно применять и при единичном, если отсутствуют другие технологии, которые позволили бы изготовить изделие с требуемым качеством. Это становится возможным при применении методов групповой технологии [8, 9, 46, 47]. Сырье для литья представляет собой гранулы термопластичных материалов, либо термореактивные порошки, обладающие широким диапазоном механических и физических свойств. Термопластичные материалы сохраняют способность к повторной переработке после формования, а термореактивные при переработке претерпевают необратимые химические изменения, приводящие к образованию неплавкого и нерастворимого материала.
Процесс формования изделий состоит из набора последовательных операций. Гранулированный и высушенный материал поступает в зону шнека машины, где расплавляется, после чего под давлением впрыскивается в литьевую форму через литниковую втулку, заполняя с высокой скоростью литниковые каналы и полость, а затем, остывая, образует готовую к извлечению отливку. Застывание материала происходит сначала у холодных стенок полости формы, а затем распространяется вглубь в центр отливки, после чего осуществляется размыкание формы и выталкивание готового изделия [76].
При переработке термопластов литьевую форму термостатируют (температура ее не должна превышать температуру стеклования или кристаллизации используемого материала), а при переработке реактопластов нагревают до температуры отверждения. Давление литья зависит от размеров литниковой системы и полости, конструкции литьевой формы и вязкости расплава материала. Литье при высоком давлении уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более низкую усадку [16, 76, 82].
Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно. На фронте расплава давление всегда равно атмосферному и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении. Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье с подпрессовкой (инжекционно-компрессионное формование) [37, 48].
Литьевое прессование представляет собой разновидность технологии литья под давлением за счет добавления усилия прессования механизма смыкания, что позволяет обеспечить стабилизацию размеров изделий и получение поверхности, точно соответствующей технологическим требованиям.
В этой технологии формующая полость изначально имеет большое сечение, что позволяет расплаву полимерного материала свободно заполнить все удаленные участки при относительно низком давлении. На рисунке 1.4 показан процесс литья с подпрессовкой. В ходе или после завершения впрыска материала зазор в форме уменьшается за счет е дополнительного механического сжатия, что заставляет расплав заполнить всю форму с большим уплотнением.
Воздействие усилия прессования на форму приводит к одинаковому распределению давления в полости, позволяет добиться более равномерного распределения физических свойств и уменьшить усадку, деформацию и внутренние напряжения в отливке по сравнению с традиционным литьем под давлением.
Производство формообразующих деталей на станках с ЧПУ
Таким образом, можно установить давление впрыска для данного изделия и используемого материала максимально равным 180 МПа.
Для стадии выдержки под давлением был задан профиль давления 80 МПа (const), в связи с тем, что согласно рекомендациям, давление выдержки должно составлять 40–60 % давления впрыска, чтобы не превысить максимально возможное усилие запирания литьевой машины. Учитывая, что объект исследования – это изделие оптического назначения, то, чем меньше давление выдержки, тем больше вероятность, что оптические свойства будут удовлетворять заданным требованиям. Поэтому максимальное давление выдержки было выбрано равное 80 МПа, что составляет 44,4 % от давления впрыска.
Время застывания материала напрямую связано с максимальной толщиной отливки и может быть рассчитано на предварительном этапе по математическим формулам. Как показывает расчет, повышение либо понижение температуры расплава на 10 C влечет изменение времени охлаждения примерно на 3%. Слишком долгое время охлаждения необоснованно увеличивает время цикла. Недостаточное время охлаждения, в свою очередь негативно сказывается на качестве отливаемого изделия.
Время выдержки под давлением определяется на основе оценки времени застывания впускного литника, как самого тонкого места литниковой системы. Время выдержки на охлаждение определяется на основе оценки времени, необходимого для полного охлаждения самой толстой части изделия.
На данном этапе для определения времени полного охлаждения изделия, было рассчитано по математическим формулам максимальное время охлаждения изделия. Оно равняется 90 секундам. Следует отметить, что температура расплава равна 300 0C, а температура формы 95 0С. Как видим из рисунка 2.15, рассчитанное время застывания впускного литника (температура менее 170 0С) равна 7,5 секундам, время застывания тонкой части изделия (в центре) равно 13 секундам. Полное время охлаждения до 95 0С в точках 1, 2 и 3 (в толстом и тонком сегментах изделия) равно 83,4 секунды, время охлаждения впускного литника равно 48 секундам. Также можно отметить, что стабилизация температуры в полости на ступает через 52 секунды после начала стадии выдержки, а температура выемки изделия (130 0С) достигается через 19 секунд. Таким образом, разница между рассчитанным временем охлаждения по формулам и полученным в результате анализа в CAE-системе равна 7,3 %. Также по результатам анализа, можно отметить, что максимальная объемная усадка в середине толстой области изделия вблизи места впуска (точка 1) 1,54 %; в центре (точка 2) 1,66 %; в середине толстой области в конце изделия перед прибылью (точка 3) 1,71 %; в середине толстой области в середине изделия перпендикулярно к месту впуска (точка 4) 1,67 %. Эти значения не превышают допустимых значений для данной марки материала.
Учитывая вышеперечисленные результаты, можно перейти к следующему шагу – поиску решений, способствующих повышению качества получаемых изделий – робастному проектированию [1, 16, 44]. Одним из таких методов управления качеством является статистический метод планирования эксперимента Г. Тагути [1, 16, 26, 83, 108, 112, 113, 117], реализация которого позволит выявить оптимальные режимы литья и закономерности между конструктивно-технологическими факторами и геометрическими и оптическими характеристи ками. Данный метод применяется при проектировании изделий и в процессе их производства с целью управления качеством.
Метод Тагути позволяет оценивать показатели качества производимых изделий и определить потери качества, которые по мере отклонения текущих значений параметра от номинального увеличиваются, в том числе и в пределах допуска. Тагути при разработке своего метода использовал новую систему назначения допусков и ввел управление по отклонениям от номинального значения, с использованием упрощенных методов статистической обработки.
Г. Тагути считает, что качество продукции не может быть улучшено до тех пор, пока не будут определены и измерены показатели качества. В основе введенного Тагути трехстадийного подхода к установлению номинальных значений параметров продукции и процессов, а также допусков на них, лежит понятие об идеальности целевой функции объекта, с которой сравниваются функциональные возможности реального объекта. [16, 26, 113].
Концепция Тагути включает принцип робастного (устойчивого) проектирования и функцию потерь качества. Функция потерь по Тагути различает качество изделий внутри допуска в зависимости от их близости к номинальному значению. Технологической основой робастного проектирования служит планирование эксперимента [13, 26]. При разработке своих методов Тагути вводит понятие идеальной функции. Идеальная функция – это идеальное соотношение между сигналами на входе и выходе, определяемыми специальной формулой. Но реальные процессы показывают результаты, несовпадающие с расчетами по идеальной функции. Поэтому у Тагути появляется понятие отклоняющего фактора (или «шума»), который является причиной разброса. Внешние «шумы» - это влияние окружающей среды. «Шумы» при хранении и эксплуатации - это старение, износ; внутренние «шумы» - это производственные неполадки, приводящие к различиям между изделиями даже внутри одной партии изделий. Факторы типа «сигнал» устанавливаются или управляются оператором оборудования.
По отношению «сигнал/шум» можно судить, каким факторам необходимо уделить большее значение при проектировании и оптимизации процессов произ водства изделий. Данное отношение стало основным инструментом инжиниринга качества. Изделие с наилучшим качеством будет реагировать только на «сигналы» оператора, и не будет реагировать на «шумы». Соответственно, чем больше будет отклик, тем влияние того или иного фактора будет более значимым [16, 26, 113].
На основе предварительных результатов полученных в Moldex3D и описанных выше для проведения составления плана эксперимента по методу Тагути была выбрана модель с комбинированной BLM-сеткой, содержащей 14 слоев элементов в направлении толщины оформляющей полости с минимальным размером элемента 0,3 мм. При этом также используется предположение об эффективном и равномерном охлаждении отливки.
Информационное обеспечение процессов ТПП изделий из полимерных оптических материалов
Вес изделия является интегральным параметром и зависит практически от всех факторов в большей или меньшей степени. Однако, основным фактором, оказывающим наибольшее влияние на вес отливки, является давление выдержки. Учитывая то, что нестабильность веса отливки для каждого из режимов проявляется лишь во втором знаке после запятой, а также, опираясь на сходимость этих результатов, можно говорить о том, что процесс литья стабилен и полученные отливки можно использовать по назначению. Отобранные образцы были взвешены на высокоточных весах. Данные приведены в виде графика на рисунке 3.13.
Поскольку время выдержки для всех изделий опытной партии одинаково, то наибольшее влияние оказывает давление. При давлении 80 МПа среднее значение веса отливки составляет 5,4015 г, при давлении 30 МПа 5,3038 г, что меньше на 1,81%. При давлении 120/80 МПа (две ступени давления выдержки) средний вес равен 5,4599 г, что на 1,08% больше веса отливки при давлении 80 МПа, при этом качество изделия не улучшилось, а увеличение веса влечет за собой увеличение затрат материала при производстве, что повышает себестоимость изделия.
Контроль веса отливки также используется для определения оптимального времени выдержки под давлением на стадии ТПП. Подобный расчет был выполнен на этапе моделирования в Moldex3D, в результате чего было определено время выдержки под давлением равное 24 секундам (параграф 2.3). На этапе производства оценка веса отливок говорит о стабильности процесса литья. Небольшие колебания веса могут быть связаны с нестабильностью самого материала. При этом прогнозируемый вес отливки в Moldex3D для давления 80 МПа составил 5,38 г. Разница между экспериментальным значением и виртуальным моделированием составляет 0,4 %. Среднее значение веса изделия для давления 30 МПа по расчетам в Moldex3D составляет 5,24 г. Погрешность между компьютерным моделированием и средним экспериментальным значением 1,2 %. Это подтверждает то, что созданная на предварительном этапе комбинированная объемная сетка для проведения компьютерного моделирования адекватна и результатам, полученным из CAE-системы, можно доверять. Вес отливок соответствует прогнозируемому, а среднеквадратическое отклонение для давления выдержки 80 МПа равно 0,0080 г, что подтверждает небольшой разброс веса между отливками. При этом средне-квадратическое отклонение для 20 отливок равно 0,0612 г, что подтверждает более сильное влияние давления выдержки на вес получаемых изделий.
Контроль шероховатости оптических изделий. Известно, что на функциональные свойства поверхности, такие, как износостойкость, коррозионная стойкость, отражаемость световых лучей, электрическая прочность, контактная жесткость, пылеудаляемость и др., существенно влияет микрорельеф поверхности. Для оптических изделий отражаемость и поглощение световых лучей является первоочередным критерием, поэтому необходимо проведение контроля шероховатости.
Основным параметром шероховатости оптических поверхностей является Rz – сумма средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов (Hi min) и пяти наибольших максимумов (Hi max). На основе ГОСТ 11141-84 – «Детали оптические». Классы чистоты поверхностей, ГОСТ 2789-73 – «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики», устанавливают шероховатость Rz не более 0,1 мкм для оптических поверхностей, что соответствует 13 классу шероховатости. При этом для данных поверхностей, чаще всего устанавливается шероховатость Rz 0,05 мкм. Однако, нет четкого обоснования причин, по которым необходимо назначать столь высокие требования к шероховатости поверхностей. Современные ГОСТ, например ГОСТ Р 53784-2010 «Элементы оптические для световых сигнальных приборов железнодорожного транспорта» устанавливают Ra 0,16, что соответствует 10 классу шероховатости. Также учитывая то, что для оптических изделий важно как можно меньшее преломление луча света из-за неровности поверхности, необходимо добиваться снижения среднеквадратического отклонения Rq, а также снижения разницы между максимальным и минимальным значением отклонения профиля поверхности.
Измерения микрогеометрии для отобранной группы линз были проведены на контактно-щуповом профилометре Hommel Tester T8000 с плоской и вогнутой сторон линзы. Сначала были проведены измерения плоских сторон линз, а затем вогнутых. Данный порядок измерений обуславливается необходимостью замены контактного щупа. Для плоских поверхностей был использован щуп TKU300: KE5/90GD, для вогнутых TKU300: KE5/90D. Для измерений шероховатости и профиля поверхности были выбраны необходимые области и направления измерений, что показано на рисунке 3.14, длина пути для профиля равна 23мм, длина пути для шероховатости составила 1,5 мм.
На каждой стороне были проведены измерения шероховатости (Ro) в пяти областях: в трех областях вдоль линзы и в двух - поперек. Также для плоской поверхности был получен профиля (Pr) в двух направлениях – вдоль (направление 1) и поперек (направление 2).
