CC BY
18
Послойный синтез для листового раскроя и сборки изделий
о
X X
5
X
Изготовление масштабных макетов, легко разрушаемых прототипов и заготовок деталей машин из композиционных материалов с рабочими поверхностями сложного профиля «прямым выращиванием» без использования дорогостоящей формообразующей оснастки сокращает стадии технологической подготовки производства, существенно снижает материальные и трудовые затраты. Поиск решений в этой области ведется давно, но только в конце прошлого века разработаны технологии, пригодные для промышленного использования в авиа- и автомобилестроении, производстве электро-и радиоаппаратуры, медицинской техники и инструментов.
Традиционное «прямое выращивание» деталей реализуется в основном для определенных материалов, формируя плоские непротяженные поверхностные слои. Перспективным представляется использование новых конструкционных материалов, в том числе композиционных, слоистых, с формируемым градиентом свойств. В результате требуется применение новых технологий, что ставит задачи распределения потоков энергии не только по заданному контуру или поверхности, но по глубине и плотности распределения, а также по форме импульса энергии в целом.
Изучение методов получения деталей машин без формообразующей оснастки позволило классифицировать процессы оперативного макетирования и производства (рис. 1), выделить основные направления развития методов послойного синтеза изделий, связанные с применением:
■ концентрированных потоков энергии в качестве источников формообразования;
■ различных видов и форм материала заготовки;
■ распределения потоков энергии по поверхности и глубине обрабатываемого материала.
В результате при проектировании технологии послойного синтеза применяются концентрированные потоки энергии для получения деталей из конструкционных материалов и методы и средства автоматизации и управления процессами оперативного макетирования и производства изделий.
Различия методов определяются применяемыми рабочими органами установок для обработки, транспортировки и контроля. Для технологий, использующих концентрированные потоки энергии, алгоритмы построения изделия зависят от рабочего цикла процесса, последующей сборки и окончательной обработки изделий.
Анализ с позиций использования концентрированных потоков энергии в качестве источников формообразования особенностей традиционных методов получения деталей машин без формообразующей оснастки стереолитографией (SLA), селективным лазерным спеканием (SLS), послойной заливкой экс-трудируемым расплавом (FDM), послойным формированием моделей из листового материала (LOM) и другими процессами позволил рассмотреть частные и выделить общие принципы построения различных методов технологии послойного синтеза.
Для повышения качества поверхности формируемого изделия и снижения длительности процессов макетирования и производства с позиций видов и форм заготовок применяемых материалов рассмотрено рациональное разбиение на слои с учетом оценки качества поверхности, зависящей от формы изделия (рис. 2). Анализ разбиения в различных методах послойного синтеза обеспечивает выбор наиболее рациональных процессов макетирования и производства конкретного изделия.
Схема алгоритма разбиения изделия на слои состоит из следующих блоков:
Блок 1. Компьютерная модель изделия, включающая его геометрическое описание, определение критериев оптимальности конструкции путем выявления «мертвых» зон для потоков энергии или вещества, в которых достижение требуемых параметров качества поверхности проблематично.
Блок 2. Выделение слоя максимально возможной толщины (h max) с проверкой и корректировкой слоя, если он является последним. При этом рассматривается разбивка на слои одинаковой толщины и разными углами наклона кромок, вписанных в геометрический профиль, и неравномерной толщины различных слоев. Разбивка непосредственно влияет на геометрические параметры качества поверхности (Rmax, Rz, Ra и др.).
Блок 3. Оценка рельефа поверхности Rmax по периметру слоя осуществляется путем проверки параметров качества поверхности, получаемых в текущем слое.
Инновационные технологии
Вид применяемого материала заготовки
Геометрическая форма материала заготовки
Порошок (гранулы, зерна)
Проволока (волокна, нить)
Листовые материалы и заготовки
Агрегатное состояние материала
Твердое (кристаллическое, аморфное)
Жидкое (суспензия, эмульсия)
Газообразное (парогазовое)
Механические и физико-химические свойства материала
Макроуровень
Мезоуровень
Микроуровень
Блок 4. Корректировка путем изменения толщины слоя
с использованием коэффициентов понижения а производится при недопустимых параметрах рельефа поверхности (например: а = 0,7...0,8 для SLA- и SLS-процес-сов; а = %, У, У,... - для FDM- и LOM- процессов).
Блок 5. Присоединение слоя к предыдущему или подложке сопровождается проверкой сцепления текущего слоя с предыдущим по размеру площади перекрытия слоев.
Блок 6. Проверка завершения синтеза изделия заканчивает цикл послойного «выращивания» и подсчитывает общее количество слоев изделия.
Блок 7. Верификация модели - завершающий этап компьютерного сопоставления «выращенной» модели с исходной.
Расчет общего количества слоев (блок 6) позволяет оценить эффективность процесса, выбираемого для послойного синтеза изделия заданной формы одним из предлагаемых методов (SLA, SLS, FDM, LOM и др.). Верификация модели послойного синтеза (блок 7) дает возможность проверить удов-
Rapid Prototyping & Manufacturing
Источник формообразования
Агрегатное состояние воздействующего потока
Твердое (пластичное, вязкое)
Жи;
Жидкое (вязко-текучее, электролитическое)
Газообразное (плазменное, лазерное)
Распределение потока энергии
Контур (очерчивание)
Поверхность (экспонирование)
Объем (проникновение)
Плотность мощности источников
Объемная зона (3-10.. .3-104), Вт/см!
Множество локализованных зон(10 .8-10 ), Вт/см'
Единственная сфокусированная зона (103.. .10™), Вт/см'
Механизмы воздействия на материал
Поведение материала при интенсивном воздействии
Термомеханические
Физические превращения
Электромагнитные
Химические реакции
Физико-химические
Фазовые переходы
Ионно-лучевые
летворение требований к геометрическим параметрам качества сложнопрофильных поверхностей, заложенных в компьютерную модель изделия (блок 1).
Регулирование толщины слоя (блок 4) и угла «разделки» его кромок (блок 2) позволяет управлять геометрическими параметрами качества сложнопро-фильной поверхности (блок 3) и вносить корректировки в начальный выбор метода оперативного макетирования и производства.
Проверка сцепления слоев изделия в ряде случаев, помимо определения площади их перекрытия (блок 5), предполагает анализ рельефа сложнопро-фильной поверхности, в случае нанесения оболочек или покрытий на послойно «выращенное» изделие.
Анализ достижимости точности формирования поверхностей с позиций влияния плотности мощности применяемых концентрированных потоков энергии
Компьютерная модель
Изменение толщины через понижающий коэффициент - а
ш
Выделение слоя максимально возможной толщины - h
Рельеф поверхности Rm. по периметру слоя ниже допустимого
йСТда
Присоединение слоя к предыдущему (подложке)
т
Завершение синтеза изделия
да
Верификация модели
Рис. 1.
Классификация
процессов
оперативного
макетирования
и производства
сложно-
профильных
изделий
Рис. 2. Блок-схема алгоритма разбиения изделия на слои
о х
X
5
X
Рис. 3.
Использование концентрированных потоков энергии в раскройном оборудовании
Рис. 4.
Комбинированный комплекс плазменной и лазерной резки
Рис. 5.
Структурная схема
технологического
комплекса
гидроабразивной
резки
о х
X
5
X
(третье направление развития) позволяет рекомендовать ряд источников энергии для их использования в раскройном оборудовании.
В зависимости от решаемых задач, достаточно активное применение в раскройном оборудовании нашли: газопламенные плазменные, электроискровые (эрозионные), лазерные источники энергии (рис. 3). Альтернативу этим источникам в широком диапазоне плотности мощности для широкого круга задач обеспечивают гидроабразивные потоки высокоскоростной водной струи.
Научно-производственным республиканским унитарным предприятием «НПО «Центр» спроектированы и выпускаются автоматизированные комплексы плазменной резки. Комплексы позволяют вести обработку в воздушной среде (КПР-01), а также для снижения размеров зоны термического влияния возле реза в водной среде (КПР-02).
Комплексы предназначены для использования на предприятиях различного профиля деятельности, в условиях, требующих высокоточного раскроя листовых материалов. Геометрические характеристики качества
реза соответствуют требованиям EN ISO 9013.
Перспективой развития оборудования для плазменной резки является его дооснащение лазерными источниками (рис. 4), что существенно повысит точность обработки, обеспечивая высокую производительность технологического комплекса.
Новой разработкой научно-производственного республиканского унитарного предприятия «НПО «Центр» является автоматизированный комплекс гидроабразивной резки (рис. 5). Выпускаемый комплекс КГР-01 предназначен для автоматизированного фигурного и линейного раскроя листовых материалов с помощью водной струи высокого давления с добавлением абразива.
Технологическая режущая головка автоматизированного комплекса гидроабразивной резки подает чистую водную струю высокого давления или водную струю высокого давления с абразивом для формирования узкого реза в изделиях из различных материалов.
Последними разработками НПРУП «НПО «Центр» являются пятикоординатные портальные манипуляторы, обеспечивающие резку под углом криволинейных поверхностей. Это расширяет технологические возможности комплексов и обеспечивает переход к широкому применению технологии послойного синтеза путем листового раскроя и сборки изделий.
Владимир Бородавко,
генеральный директор ГНПО «Центр»
Александр Пынькин,
заместитель генерального директора ГНПО «Центр» по науке и инновациям, кандидат технических наук
Михаил Хейфец,
главный научный сотрудник ГНПО «Центр», доктор технических наук, профессор
