Расчет допусков оптической системы видеокамеры нанодронов для применения технологии 3D печати Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 681.7

РАСЧЕТ ДОПУСКОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВИДЕОКАМЕРЫ НАНОДРОНОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ

Иван Александрович Катков

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: ichikkid@gmail.com

Марина Петровна Егоренко

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru

В статье был произведен расчет допусков на оптическую систему двухдиапазонного объектива, а также рассмотрена возможность изготовления на 3D принтере.

Ключевые слова: допуски, 3D принтер, 3D печать, оптическая система.

CALCULATION OF TOLERANCES OF NANODRON VIDEOCAMERIC OPTICAL SYSTEM FOR APPLICATIONS OF 3D PRINTING TECHNOLOGY

Ivan A. Katkov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: ichikkid@gmail.com

Marina P. Egorenko

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior lecturer of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru

In the article, the tolerances for the optical system of a dual-band lens were calculated, and the possibility of manufacturing on a 3D printer.

Key words: tolerances, 3D printer, 3D printing, optical system.

Многодиапазонные оптико-электронные системы находят все большее применение в различных областях науки, а также в военной технике. Одной из самых перспективных направлений в развитии военной техники являются разведывательные беспилотные летающие аппараты (дроны) как на большие дистанции, так и на малые или даже в закрытых помещениях (нанодроны) в целях предотвращение террористических акций. Наличие у миниатюрного летательного аппарата видеокамеры с объективом, позволяющей видеть происходящее в реальном времени в нескольких диапазонах, в разы увеличивает количество получаемой информации о предполагаемом противнике, что в свою очередь значительно повышает вероятность успеха действий спецслужб. В настоящее время множество лабораторий трудятся в сфере развития микро- и нанотехно-логий оптико-электронных систем. Но все разработки на данный момент являются засекреченными.

Для создания многодиапазонного объектива для нанодрона стоит учитывать множество факторов, важнейшим из которых являются грузоподъемность дрона и соответственно длительность полета. В связи с этим не представляется возможность изготовления объектива при помощи неорганических стекол.

В ходе исследования была рассчитан вариант двухдиапазонного объектива из полистирола (q = 1,05 г/см3), который широко применяется в 3D печати [1-4]. Данное решение является оптимальным по массогабаритным характеристикам, так как фокусное расстояние всей системы не более 10 мм, и позволяет пропускать излучение как в видимом (0,486-0,74) мкм, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра (0,365-0,4 мкм) (рисунок). В качестве критерия качества оптического изображения был задан RMS = 2 мкм. Расчет допусков на изготовление оптических деталей проводился одновременно для двух конфигураций (визуального и ультрафиолетового диапазонов спектра).

10,11 мм

Рис. Зеркально-линзовая оптическая система двухдиапазонного объектива:

1 - положительная линза; 2 - отрицательный мениск (зеркало Манжена); 3 - зеркало Манжена; 4 - полевой компенсатор, состоящий из центральной части отрицательного мениска 2 и линз Пиацци-Смита; 5 - спектроделительное зеркало; 6 и 7 - линзы Пиацци-Смита

В таблице 1 представлены допуски на изготовление оптических деталей для двухдиапазонной системы нанодрона.

Для производства данной оптической схемы было предложено рассмотреть такой метод как 3D печать. Трехмерный или 3D принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, дает возможность создавать трехмерные физические объекты. Промышленная 3D печать стала неотъемлемым элементов в последние годы. В наши дни аддитивные технологии нашли огромное применение как в научно-исследовательских организациях, так и в промышленности. 3D принтеры используют как для про-тотипирования, так и для изготовления готовой продукции.

Допуск на изготовление оптических деталей

Поверхность Номинальное значение и отклонение на изготовление оптических деталей

На радиус На толщину поверхностей На децен-трировку На наклон, отклонения

номинальное значение Min Max номинальное значение Min Max X Y X Y

1 21,65 -0,65 3,2 0,86 -0,06 0,68 2,59 1,82 0,95 0,69

2 29,88 -3,2 1,165 2,62 -0,064 0,06 2,98 1,94 0,59 0,44

3 -26,96 -3,2 2,74 0,79 -0,46 0,03 2,96 1,08 0,82 0,29

4 -28,08 -1,96 0,18 -0,79 - - 0,65 0,34 0,17 0,09

5 -26,96 - - -2,62 - - 2,58 1,7 0,66 0,44

6 26,96 - - -0,79 - - 0,52 0,46 0,12 0,104

7 99,72 -3,2 3,2 0,79 - - 3,05 1,42 0,2 0,115

8 26,96 - - 2,32 - - 3,2 2,35 0,6 0,42

9 -26,96 - - 0,79 - - 0,74 0,71 0,15 0,14

10 -28,08 - - 4,54 -1,41 0,09 2,41 2,29 0,32 0,29

11 3,59 -1,48 0,36 0,4 -1,89 0,19 0,73 0,61 0,75 0,59

12 -16,02 -3,2 3,2 1,29 - - 1,7 1,09 0,29 0,12

13 - - - 0 - - - - - -

Способы 3D печати:

- стереолитография (SLA) - используется полупрозрачный материал, который деформируется под воздействием лазерного луча;

- выборочное лазерное спекание (SLS) - спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча, единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм как металлического, так и пластмассового литья;

- метод многоструйного моделирования (MJM) - процесс подобен со струйной печатью, материал подается из отверстий малого диаметра, расположенных на печатающей головке;

- послойное склеивание пленок (LOM) - листы материал раскраиваются лазером и соединяются между собой;

- 3D Printing (3DP) - подобно SLSтехнологии, но в данном способе порошок склеивается послойно;

- послойное наплавление (FDM) - печать происходит посредством нагрева и выдавливание спекаемого материала послойно из печатающей головки [5].

Исходя из технологических возможностей различных способов 3D печати обеспечивать точность формирования поверхностей (табл. 2), были определены наиболее перспективные из них для изготовления рассчитанной оптической системы.

Выбор способа изготовления оптических элементов

Способ 3D печати Максимальная

точность изготовления Вывод

моделей, мкм

MJM 16 Наиболее точный метод (есть ограничения)

SLA 25-50 Подходит для изготовления оптических деталей

SLS 50-100 Подходит для изготовления оптических деталей

LOM 100 В данном способе материалом служит бумага

3DP 100 Ограниченное количество материалов

FDM >200 Низкая точность получаемых поверхностей

Анализ допусков на изготовление оптических поверхностей, рассматриваемого объектива позволяет сделать вывод о возможности применения технологии 3D печати методами многоструйного моделирования (MJM) или стереоли-тографии (SLA).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. 98072 на полезную модель Российская Федерация, MnK4G02B 17/00. Российская Федерация МПК51 GO1C 3/00; Двухспектральная зеркально-линзовая система / М. П. Егоренко, В. С. Ефремов ; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. - № 2010108755/22(012273); заявл. 09.03.10, опубл. 27.09.10.

2. Егоренко М. П. Двухспектральная оптическая система для нанодронов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. -С. 95-97.

3. Серова В. Н. 0птические и другие материалы на основе прозрачных полимеров : монография / Федеральное агентство по образованию ; Казан. гос. технол. ун-т. - Казань : КГТУ, 2010. - 540 с.

4. Катков И. А., Егоренко М. П. Анализ свойств оптических материалов для многодиапазонных объективов видеокамер нанодронов // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 3-7.

5. Технологии 3D-печати [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ixbt.com/printer/3d/3d_tech.shtml.

© И. А. Катков, М. П. Егоренко, 2017