CC BY
119
----------------------------- © А.А. Сапрыкин, Н.А. Сапрыкина,
2010
УДК 621.7.073
А.А. Сапрыкин, Н.А. Сапрыкина
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
При проектировании новой машины всегда возникает необходимость в опытных образцах изделия в целом или его составных частей. Методы быстрого прототипирования позволяют в считанные часы получить прототипы, которые могут использоваться как промежуточная оснастка для изготовления горношахтного оборудования.
Ключевые слова: штамп, пресс-форма, быстрое прототипирование, послойный синтез, технологическая оснастка.
современном машиностроении, как и в экономике в -Я-М целом конкурентоспособность продукции определяется качеством и своевременностью появления продукции на рынке. Особенно остро проблема конкурентоспособности продукции существует во времена кризисов. Одной из основных причин этого является то, что на предприятиях, где изготавливают горно-шахтное оборудование, используются, как правило, низкопроизводительные методы изготовления технологической оснастки. Например, изготовление деревянных моделей занимает достаточно много времени, при этом используется ручной труд модельщика высокой квалификации. А ведь без деревянных моделей не обходится ни одно производство. Они используются при изготовлении штамповой оснастки, стержневой оснастки и моделей для литья. Также коренным образом не решает проблемы ускорения технологической подготовки производства (ТПП) применение для моделирования пластиков или металлов при использовании оборудования с ЧПУ. Стоимость такой оснастки еще выше. В то же время эти технологические процессы в большинстве своем определяют конкурентоспособность продукции, её качество и сроки изготовления. Наиболее перспективным решением вышеперечисленных задач является разработка и внедрение новых производительных заготовительных технологий с использованием CAD/CAM-систем [1].
Мировые лидеры горного машиностроения в последние годы усиленно внедряют методы быстрого изготовления прототипов (Rapid prototyping - RP) в составе компактного интеллектуального производства (КИПр). КИПр - это гибкая производственная система, которая объединяет процессы проектирования, конструирования, технологической подготовки производства и изготовления изделий за счет предельной концентрации производства, быстрой переналадки оборудования на новое изделие, низкой стоимости прототипов, отсутствия ограничений по сложности. Параллельно изготавливают всю необходимую оснастку (конструкторские прототипы, мастер макеты, модели для литья и штамповую оснастку, электрод-инструменты и т.д.), что позволяет в сжатые сроки пройти путь от идеи до изделия [1, 2].
При проектировании новой машины всегда возникает необходимость в опытных образцах изделия в целом или его составных частей. Методы быстрого прототипирования позволяют в считанные часы получить прототипы, которые могут использоваться: маркетологами - в рекламе; конструкторами - для оценки дизайна, функциональности, эргономичности; технологами - для оценки технологичности и получения всей необходимой оснастки. В отличие от традиционных методов (обработка с удалением лишнего материала), быстрое прототипирование относится к аддитивным технологиям, когда модель создается послойным добавлением материала.
Существующие методы быстрого прототипирования работают по следующей схеме: построение виртуальной трехмерной модели в какой-либо системе трехмерного проектирования (рис. 1), автоматическое построение поддерживающих элементов (поддержек) для нависающих элементов, считывание трехмерной модели в формате STL, разбиение модели на множество сечений, параллельных базе, создание физической модели на исполнительном механизме.
В 1987 году фирма 3D Systems, Inc. (США) представила первую установку SLA-1 (Stereo - Lithography Apparatus), что явилось началом развития технологий быстрого прототипирования. Процесс получения прототипа получил название - стереолитографии (SL) (рис. 2). На сегодня стереолитография является самым распространенным методом RP. В ней используется метод отверждения фотополимеризующихся композиций
Рис. 1 CAD-модель скобы скребка угольного конвейера
лучом ультрафиолетового лазера, который сканирует поверхность жидкого мономера в плоскости XY по заданной траектории, вызывая в тонком поверхностном слое реакцию фотополимеризации. В результате образуется тонкий (0,05^1 мм) слой твердого полимера. Затем отверженный слой погружается в жидкий мономер по координате Z на величину, равную толщине слоя, за счет чего происходит обновление материала слой за слоем. В результате получается пластиковая модель, аналогичная виртуальной. Точность модели определяется толщиной отвержденного слоя. Так точность, обеспечиваемая установками серии SLA-250/350/500, равна 0,05 мм в плоскости XY и 0,025 мм - по координате Z. Сейчас оборудование стереолитографии выпускают несколько компаний.
Вслед за стереолитографией были разработаны другие методы получения прототипов с использованием различных материалов и принципов нанесения слоев. Наиболее широкое распространение получили методы: Fused Deposition Modeling (FDM) [1, 2, 3], Laminated Object Manufacturing (LOM) [1, 4] и Selective Laser Sintering (SLS) [1, 2]. Подробнее рассмотрим LOM -технологию.
Разработчик LOM-технологии компания Helisis, Inc. Данная технология использует листовой материал: бумага, фольга, полимерные пленки и т.д. Трехмерная модель разбивается на тонкие поперечные слои, толщина которых равна толщине листа. Луч CO2-лазера вырезает контур сечения (рис. 3). Затем следующий слой материала наклеивается на предыдущий и вновь вырезается лазером.
Рис. 2 Стереолитография
СС>2-лазер
склеивающим
Рис. 3 LOM-технология
Лишний материал разрезается на прямоугольники для более легкого удаления. Так слой за слоем формируется модель, которую в дальнейшем шпатлюют и красят. Достоинство этого метода моделирования является его относительная дешевизна по сравнению с другими методами быстрого прототипирования.
В процессе SLS используются порошковые материалы (металлы, нейлон и т.п.) спекаемые лазером. Лазер сканирует по поверхности тонкого слоя порошка, за счет чего порошок спекается. Затем насыпается следующий слой порошка и сканируется новое сечение. К достоинствам этой ЯР-технологии относится то, что она не требует построения поддерживающей модель системы, т.к. ею является неспекшийся порошок
Общие тенденции развития ЯР-технологий заключается в следующем:
1. Снижение стоимости прототипов и оборудования.
2. Уменьшение сроков изготовления моделей без потери качества.
3. Применение новых материалов, обеспечивающих стабильность свойств прототипа с течением времени (отсутствие коробления, требуемая твердость, ударная вязкость, усадка и др.)
4. Расширение сфер применения прототипов (медицина, создание миниобъектов, ювелирная промышленность и др.)
На Юргинском машиностроительном заводе (Кемеровская обл.) совместно с Юргинским технологическим институтом Томского политехнического университета была разработана и внедрена технология лазерно-компьютерного послойного синтеза прототипов с использованием древесного шпона.
На "Юргинском машзаводе" возникла необходимость производства штамповой и литейной оснастки, имеющей сложные поверхности и полости. При оценке существующих методов изготовления оснастки были сделаны выводы:
1. Ручное изготовление моделей является длительным процессом, занимающим очень большое время, не обеспечивает необходимой точности без большого количества шаблонов и специальных приспособлений, а в ряде случаев принципиально неприменимо (сплайновые поверхности).
2. Изготовление моделей на станках с ЧПУ соответствует высокой точности и производительности, но невозможно получить поверх-
ности с "наложением теней" без специального инструмента. Кроме того, оборудование с ЧПУ имеет высокую стоимость.
В результате было принято решение о разработке и внедрении технологии лазерно-компьютерного макетирования с использованием листового материала (это наиболее доступный и дешевый способ ЛКМ), что позволит изготавливать модельную оснастку с требуемой точностью, практически независимо от сложности и габаритов. Особо необходимо отметить, что эта технология не требовала приобретения нового оборудования, так как в наличии имелась промышленная лазерная установка "ПЛУТОН-1".
В результате проведенных экспериментов с различными листовыми материалами (фольга, лавсан, гетинакс, деревянный шпон, бумага и т.д.) выбор был остановлен на шпоне, потому что этот материал доступен, дешев и при необходимости легко обрабатывается традиционными методами.
Разработанная технология включает следующие этапы:
1. Построение твердотельной модели CAD-системе на персональном компьютере.
2. При помощи оригинального программного обеспечения модель разбивается на тонкие поперечные слои, равные толщине шпона (0,5^1,5 мм) из которого будет сформирована модель.
3. Автоматический перевод полученных сечений в формат программы, управляющей работой лазерной установки.
4. Вырезание слоев.
5. Сборка и склеивание слоев.
6. Шпатлевка и окраска модели.
Сборка слоев происходит в специальном приспособлении [5]. Изготавливается деревянный короб, стенки которого имеют пазы. Ширина пазов соответствует двум толщинам используемого шпона (в данном случае 1,5 мм). Использование пазов, как базирующих элементов, позволяет практически исключить накапливаемую погрешность по высоте (координате 2). Вырезанные слои собираются последовательно с использованием эпоксидного клея. При этом текстура шпона чередуется крестообразно, как в многослойной фанере. В итоге получается прочная деревянная модель, мало подверженная короблению и растрескиванию.
Технология отрабатывалась на модели штампа горячей штамповки (скребок угольного конвейера) (рис. 4).
Внедрение позволило получить следующие результаты:
1. Точность размеров модели соответствует 14-му квалитету.
2. Трудоемкость проектирования и изготовления снизилась в 9,5 раз по сравнению с ручным проектированием и изготовлением.
3. Повысился уро-Рис. 4. CAD-модель скребка угольного конеейе- веш> и скорость проекти-
ра рования штамповой осна-
стки за счет автоматизации ряда конструкторских и технологических работ.
4. Эксплуатационные свойства штампа не ниже аналогичных изделий, изготовленных по традиционной технологии.
Проведенные на ООО «Юргинский машзавод» работы показали высокую эффективность применения методов быстрого изготовления прототипов изделий для сокращения сроков технологической подготовки производства новых горно-шахтных машин.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологии послойного синтеза при создании объемных моделей для заготовительного производства / С. В. Скородумов // Вестник машиностроения. -1998. - №1. - С.20-28.
2. ГеММа-3D и быстрое прототипирование / М. Лавров // САПР и графика.-2002.-№6.- С. 45-47.
3. Придайте вашей идее форму, или Как быстро, качественно и недорого изготавливать модели-прототипы новых изделий / Р. Бирбраер, И. Мамонотов, А. Колма-ков, В. Столповский // САПР и графика. - 2002. - №2.-С. 49-54.
4. ^MMA^D и LOM-технология / М. Лавров // САПР и графика.-2002. -№8. - С.57-60.
5. Патент на полезную модель 39102 РФ, МПК7 В22С 7/00, В32В 21/13. Модель-прототип/ А. А. Сапрыкин, В. С. Чернов, В. И. Субботин, С. М. Петров. -
Заявка №2004105203; Заявл. 24.02.2004; Опубл. 20.07.2004, Бюл. №20. ВТШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Сапрыкин А.А., Сапрыкина Н.А. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,
E-mail: alex sapr@,rambler.ru
