Быстрое прототипирование и изготовление

ФГБОУ ВПО

«Государственный аграрный университет Северного Зауралья»

МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

 

Реферат

 

по дисциплине:

Применение САПР в машиностроении.

Тема: Быстрое прототипирование и изготовление.

 

 

 

 

 

                                                                                       Выполнили:

Фомин Николай Леонидович

Тарасов Александр Николаевич

Студент ___ курса  _____  группы

Направление 110800 «Агроинженерия»

Профиль 3:Технологическое оборудование для хранения и переработки с/х продукции

№ зачет. книжки:______________

Подпись:____________________

 

Руководитель: Устинов Н.Н. 

Оценка: _____________________

Дата: ________________________

Подпись:_____________________

Проверила:___________________

 

                                                                          Рег. № ______________________

 

 

 

 

Тюмень- 2014

Оглавление

 

 

Введение

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping - RP) - это процесс послойного построения физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией 3D модели. БП — технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации.

 

      Термин используется как в информационных технологиях для обозначения процесса быстрой разработки программного обеспечения (см. RAD), так и в технологиях, связанных с изготовлением физических прототипов деталей. RAD (от англ. rapid application development — быстрая разработка приложений) — концепция создания средств разработки программных продуктов, уделяющая особое внимание быстроте и удобству программирования, созданию технологического процесса, позволяющего программисту максимально быстро создавать компьютерные программы.

 

      Примерно с начала 1980-х начали интенсивно развиваться технологии формирования трёхмерных объектов не путём удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путём постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства.

 

1. Быстрое  прототипирование и изготовление

Геометрическая модель используется как источник общих данных, процессы проектирования и производства не были непосредственно интегрированы в процедуру обработки. Иными словами, чтобы станок с ЧПУ мог выполнить обработку по данным геометрической модели, требовался ряд промежуточных шагов: планирование процессов, рассмотрение конструкций зажимов и креплений, выбор оборудования. 
Еще один способ использования геометрической модели в производстве - это быстрое прототипирование. Существуют разные процессы быстрого прототипирования, но все их объединяет то, что прототип изготавливается путем послойного наложения композитного материала. Основное преимущество быстрого прототипирования состоит в том, что прототип создается за один прием, а исходными данными для него служит непосредственно геометрическая модель детали. Таким образом, отпадает необходимость в планировании последовательности технологических процессов, специальном оборудовании для обработки материалов, транспортировке от станка к станку и т. д. Однако по сравнению с обработкой на станке с ЧПУ этот процесс имеет существенный недостаток - ограниченность выбора материалов. Поскольку станки с ЧПУ способны обрабатывать большую часть доступных промышленных материалов, включая металлы, то физические объекты, изготовленные методом быстрого прототипирования, используются главным образом в качестве прототипов или шаблонов для других производственных процессов.

1.1. Обзор

После появления систем твердотельного моделирования в начале 70-х гг. XX в. делались попытки генерировать физические объекты непосредственно из геометрических данных, не прибегая к использованию традиционных инструментов. Новая технология получила название быстрое прототипирование (rapid prototyping), а также послойное изготовление (layered manufacturing), трехмерная печать (3D printing), настольное изготовление (desktop manufacturing) и изготовление объемных деталей произвольной формы (solid freeform manufacturing) [88]. С того времени эта технология шагнула далеко вперед, найдя множество применений на производстве помимо изготовления прототипов. Исходя из этого, более удачным обозначением для нее в настоящий момент представляется термин быстрое прототипирование и изготовление (rapid prototyping and manufacturing), или БПИ, который мы и будем использовать в этой главе. 
В основе своей процессы быстрого прототипирования и изготовления состоят из трех шагов: формирование поперечных сечений изготавливаемого объекта, послойное наложение этих сечений и комбинирование слоев. Таким образом, чтобы создать физический объект, этим процессам требуются данные лишь о поперечных сечениях; кроме того, исчезают следующие проблемы, часто возникающие в связи с другими производственными процессами.

Отпадает необходимость в топологическом проектировании и распознавании по элементам, поскольку планирование процессов, в ходе которого используется эта информация, не требуется. Аналогичным образом, не нужно преобразовывать элементы конструкции в элементы изготовления. Достаточно иметь трехмерную поверхностную или твердотельную модель детали, на основе которой будут сгенерированы данные поперечных сечений.

Не требуется определять геометрию пустого пространства, поскольку в ходе процессов БПИ материал добавляется, а не снимается.

Не нужно определять несколько наборов оборудования или сложные последовательности обработки материала, поскольку деталь изготавливается за один прием.

Нет необходимости рассматривать конструкции зажимов и креплений. (Некоторые процессы могут требовать создания вместе с деталью поддерживающих структур. О поддерживающих структурах речь пойдет позже.)

Не нужно проектировать и изготавливать формы и штампы, так как процессы БПИ являются безынструментальными.

Таким образом, поскольку процессы БПИ позволяют создать физический объект без использования инструментов, они хорошо подходят для интеграции проектирования и изготовления без планирования процессов. 
Слои поперечных сечений могут создаваться и комбинироваться одним из следующих методов:

• полимеризация смол лазером, другими источниками света или лампами;
• избирательное спекание твердых частиц или порошка лучом лазера;
• связывание жидких или твердых частиц путем склеивания или сварки;
• резка и ламинирование листового материала;
• плавление и отверждение.

Типичные процессы быстрого прототипирования и изготовления, основанные на этих методах, описаны в следующем разделе.

1.2. Процессы  быстрого прототипирования и изготовления

Характеристики некоторых серийно выпускаемых машин для быстрого прототипирования и изготовления, использующих различные типы процессов, сведены в табл. 12.1. (Приложение 1)

1.2.1. Стереолитография

В конце 70-х - начале 80-х гг. XX в. А. Герберт из корпорации 3M в Миннеаполисе, Х. Кодама из Исследовательского института префектуры Нагоя в Японии и К. Халл из корпорации Ultra Violet Products (UVP) в Калифорнии независимо друг от друга работали над идеями быстрого прототипирования, основанными на избирательном отверждении поверхностного слоя фотополимера и построении трехмерных объектов из последовательно наложенных слоев. Герберт и Кодама прекратили работу из-за недостатка финансирования, так и не сумев разработать коммерческий продукт. Халл благодаря стабильной поддержке от UVP разработал систему, способную автоматически изготавливать детали сложной формы. Халл ввел в обращение термин стереолитография (stereolithography) и в 1986 г. основал корпорацию 3D Systems, которая начала производить стереолитографические аппараты (stereo lithography apparatus - SLA). 
Процесс изготовления детали изображен на рис. 12.1, а и протекает следующим образом.

Фоточувствительный полимер, затвердевающий на свету, поддерживается в жидком состоянии.

На толщину одного слоя ниже поверхности жидкого полимера располагается платформа, способная двигаться в вертикальном направлении.

Ультрафиолетовый лазер сканирует слой полимера над платформой, отверждая полимер по форме соответствующего поперечного сечения. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.

 
Рис. 12.1. Стереолитография: а - процесс; б - аппарат SLA-3500 от 3D Systems (с разрешения 3D Systems, Inc.)

Платформа опускается в ванну с полимером на толщину одного слоя, давая полимеру растечься по поверхности детали для начала нового слоя.

Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет наращен верхний слой детали.

Для полного затвердевания детали выполняется окончательное отверждение. Этот шаг необходим, поскольку в каждом слое могут еще оставаться жидкие участки. Так как лазерный луч имеет конечные размеры, сканирование каждого слоя аналогично закрашиванию некоторой фигуры тонкой цветной ручкой.

Реальный аппарат для стереолитографии показан на рис. 12.1, б. 
Стереолитография наиболее популярна среди процессов быстрого прототипирования и изготовления, и ее интерфейс с твердотельной моделью стал стандартом для других процессов. Однако она требует создания поддерживающих структур, если деталь имеет вырезы внизу, то есть верхнее поперечное сечение детали имеет большую площадь, чем нижнее (рис. 12.2). Изготовленная методом стереолитографии крыльчатка изображена на рис. 12.3. Более подробно процесс стереолитографии будет описан далее. 
 
Рис. 12.2. Поддерживающие структуры в стереолитографии 
 
Рис. 12.3. Крыльчатка, изготовленная методом стереолитографии

1.2.2. Отверждение  на твердом основании

В процессе отверждения на твердом основании (solid ground curing, SGC) каждый слой отверждается путем экспонирования ультрафиолетовой лампой, а не сканирования лазерным лучом. Таким образом, все точки слоя затвердевают одновременно и окончательное отверждение не требуется. Типичный процесс отверждения на твердом основании имеет место в системе Solider от Cubital Israel, работа которой происходит так.

По данным геометрической модели детали и желаемой толщине слоя рассчитывается поперечное сечение каждого слоя.

Для каждого слоя изготавливается оптическая маска по форме соответствующего поперечного сечения.

После выравнивания (рис. 12.4, а), платформа покрывается тонким слоем жидкого фотополимера (рис. 12.4, б).

 
Рис. 12.4. Система Solider

Над поверхностью жидкой пластмассы помещается маска, соответствующая текущему слою, и пластмасса экспонируется светом мощной ультрафиолетовой лампы (рис. 12.4, в). Обратите внимание, что процесс начинается с маски, соответствующей нижнему слою.

Оставшаяся жидкость удаляется с изделия аэродинамическим wiper (рис. 12.4, г).

Изделие покрывается слоем жидкого воска, который заполняет пустоты (рис. 12.4, д). Затем к воску прикладывается холодная пластина, и он затвердевает.

Слой стачивается до желаемой толщины с помощью шлифовального диска (рис. 12.4, е).

Готовая часть изделия покрывается тонким слоем жидкого полимера, и шаги 4-7 повторяются для каждого последующего слоя, пока не будет обработан самый верхний слой.

Воск расплавляется и удаляется из готовой детали.

Главным преимуществом отверждения на твердом основании по сравнению со стереолитографией является отсутствие необходимости в поддерживающих структурах. Это обусловлено тем, что пустоты заполняются воском. Кроме того, благодаря использованию света лампы вместо лазерного луча исключается операция окончательного отверждения. Хотя отверждение на твердом основании позволяет изготавливать детали с большей точностью, чем стереолитография, процесс этот весьма сложен.

1.2.3. Избирательное  лазерное спекание

Процесс изготовления детали путем избирательного лазерного спекания, разработанный фирмой DTM (США), протекает следующим образом.

Цилиндрическая заготовка помещается на высоте, необходимой для того, чтобы на нее можно было осадить слой порошкового материала желаемой толщины. Порошковый материал, используемый для изготовления прототипа, поступает из подающего цилиндра и наносится выравнивающим валиком (рис. 12.5).

 
Рис. 12.5. Избирательное лазерное спекание (с разрешения DTM Corporation)

Слой порошка избирательно сканируется и нагревается лучом лазера, вследствие чего частицы слипаются между собой. Просканированные частицы порошка образуют требуемое поперечное сечение. Обратите внимание, что этот процесс начинается с нижнего поперечного сечения детали.

Цилиндрическая заготовка опускается на толщину одного слоя для нанесения нового слоя порошка.

Луч лазера сканирует новый слой порошка, склеивая его с предыдущим и формируя следующее поперечное сечение.

Шаги 3 и 4 повторяются, пока не будет создан самый верхний слой детали.

Для некоторых материалов может понадобиться окончательное отверждение.

Поддерживающая структура не требуется, потому что пустоты каждого слоя заполняются необработанным порошком. Более того, в качестве материала для процесса избирательного спекания потенциально может использоваться любой плавкий порошок, даже металлический, если лазер обладает достаточной мощностью. На практике для металлических порошков, частицы которых покрыты термопластическим связующим материалом, используется косвенное спекание. Под лучом лазера связующий материал расправляется и свободно связывает частицы металлического порошка, образуя желаемую форму, которая называется "зеленой деталью" (green part). В этом случае достаточно, чтобы мощности лазера хватало для расплавления связующего материала. Затем зеленая часть подвергается обработке в печи, в ходе которой связующий материал выжигается, а частицы металлического порошка связываются за счет обычных механизмов спекания. Получившаяся деталь носит название "коричневой детали" (brown part). Без дальнейшей обработки деталь будет довольно пористой из-за наличия пустот, которые ранее занимали частицы связующего материала. Чтобы снизить пористость, в печь помещается еще один материал - инфильтрант. Этот металл расправляется при рабочей температуре печи и проникает в поры детали за счет капиллярного эффекта. Данный метод используется для изготовления форм для литья непосредственно по их геометрическим моделям. Ресурса таких форм достаточно для изготовления от 2500 до 10 000 деталей-прототипов.

1.2.4. Трехмерная  печать

Разработанный в Массачусетском Технологическом институте процесс трехмерной печати был назван так из-за своей схожести с печатью на струйном принтере. В трехмерной печати вместо чернил используется жидкое связующее вещество. Процесс трехмерной печати происходит следующим образом (рис. 12.6).

Платформа располагается на высоте, необходимой для того, чтобы можно было нанести на нее слой керамического порошка надлежащей толщины.

Нанесенный слой керамического порошка избирательно сканируется печатающей головкой, из которой поступает жидкое связующее вещество, вызывающее прилипание частиц друг к другу. Отсканированные печатающей головкой частицы образуют требуемую форму поперечного сечения. Обратите внимание, что этот шаг начинается с нижнего поперечного сечения.

Платформа опускается на одну толщину слоя, позволяя нанести следующий слой порошка.